Wie kommt es zu Wärmerissen an Gleitringdichtungsflächen?

Die Wärmeprüfung erfolgt, wenn Gleitringdichtung Aufgrund extremer Temperaturschwankungen und thermischer Belastungen bilden sich radiale Risse. Diese Risse ähneln den Speichen eines Rades, beginnen in der Mitte und breiten sich nach außen aus. Dies führt letztendlich zum vorzeitigen Versagen der Dichtung.

Gleitringdichtungen verhindern Flüssigkeitslecks an der Stelle, an der eine rotierende Welle durch ein Pumpengehäuse verläuft. Sie funktionieren, indem sie zwei extrem glatte Flächen zusammenpressen – eine rotiert mit der Welle, die andere bleibt stationär. Ein mikroskopisch dünner Flüssigkeitsfilm zwischen diesen Flächen sorgt für Schmierung und Kühlung.

Wenn dieser schützende Flüssigkeitsfilm verschwindet oder die Temperaturen sprunghaft ansteigen, dehnen sich die Dichtflächen unterschiedlich stark aus und ziehen sich unterschiedlich stark zusammen. Harte Werkstoffe wie Wolframcarbid und Keramik können diese schnellen Temperaturschwankungen nicht verkraften und brechen daher unter der Belastung.

Wie thermische Spannungen in Dichtungsflächen entstehen

Thermische Spannungen entstehen, wenn sich Dichtungsflächen ungleichmäßig erwärmen und anschließend zu schnell abkühlen. Die Temperaturunterschiede im Dichtungsmaterial erzeugen innere Kräfte, die letztendlich die Belastbarkeit des Materials übersteigen.

• Reibungserwärmung: Wenn Dichtungsflächen ohne ausreichende Schmierung aneinander reiben, entsteht durch die Reibung an den Kontaktstellen intensive Hitze. Die Federkraft und der hydraulische Druck, die die Flächen zusammenpressen, verschlimmern dies zusätzlich. Ohne ausreichenden Flüssigkeitsfilm zwischen den Flächen können die Temperaturen innerhalb von Sekunden auf mehrere hundert Grad ansteigen.
• Viskose Scherung und Fluiddynamik: Durch die schnelle Rotation in Kombination mit dickflüssigen Flüssigkeiten entstehen enorme Scherkräfte im dünnen Film. Diese Scherwirkung erzeugt Wärme, ähnlich wie beim Aneinanderreiben der Hände. Bei zu hohem Druck und zu hoher Geschwindigkeit erhitzt sich der Flüssigkeitsfilm so stark, dass sich die Dichtungsfläche kegelförmig verformt.
• Differenzielle Expansion: Anders Teile des Siegels Die Oberfläche dehnen sich bei Erwärmung unterschiedlich schnell aus. Der Innendurchmesser in Schaftnähe wird deutlich heißer als der Außenrand. Da Materialien wie Wolframkarbid zwar eine hohe Steifigkeit, aber eine geringe Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen, können sie sich diesen Unterschieden nicht anpassen – stattdessen reißen sie.
• Wärmeschock: Das gefährlichste Szenario tritt ein, wenn eine heiße Dichtungsfläche plötzlich auf kalte Flüssigkeit trifft. Stellen Sie sich vor, Sie werfen eine heiße Glasschale in kaltes Wasser – sie zerspringt. Dasselbe passiert mit Dichtungsflächen, wenn sie heiß und trocken laufen und dann plötzlich mit kalter Flüssigkeit gespült werden. Die schnelle Kontraktion erzeugt Zugspannungen, die das charakteristische radiale Rissmuster erzeugen.

Ursachen und Betriebsbedingungen, die zu Wärmerissen führen

Verschiedene Betriebsbedingungen können zu Hitzeschäden führen, aber sie alle haben eines gemeinsam: Sie erzeugen extreme Temperaturbedingungen, die die Dichtungsmaterial nicht bewältigen kann.

Trockenlauf und Schmierverlust

Trockenlauf ist die häufigste Ursache für Wärmerisse, da dadurch der Kühl- und Schmierflüssigkeitsfilm zwischen den Flächen zerstört wird.

• Mangel an Flüssigkeitsfilm: Beim Starten einer Pumpe ohne Flüssigkeit oder bei Verlust des Spülstroms reiben die Dichtungsflächen Metall auf Metall. Ohne Flüssigkeit, die die Wärme ableitet, steigen die Temperaturen innerhalb von Sekunden sprunghaft an. Wenn die Flüssigkeit schließlich zurückkehrt, führt der Thermoschock sofort zu Rissen an den heißen Flächen.
• Unzureichende Schmierung: Flüssigkeiten mit hoher Viskosität oder falsche Sperrflüssigkeiten fließen nicht richtig zwischen den Flächen. Kälte kann Flüssigkeiten so stark eindicken, dass sie den Schutzfilm nicht mehr aufrechterhalten können. Die Flächen sind möglicherweise nicht vollständig trocken, werden aber nicht ausreichend geschmiert, um eine Überhitzung zu verhindern.
• Trockenlauf durch Verdampfung oder Verdampfung: Wird eine Flüssigkeit zu nahe am Siedepunkt betrieben, verdampft sie an der Dichtungsfläche. Die Dichtungsflächen verlieren plötzlich ihren Flüssigkeitsfilm und laufen trocken. Dies geschieht häufig bei Heißwasseranwendungen oder bei Kavitation von Pumpen, wodurch lokale Niederdruckzonen entstehen, in denen die Flüssigkeit verdampft.

Schlechte Kühlung und hohe Temperatur

Selbst bei ausreichender Schmierung kann es bei unzureichender Kühlung zu einem Hitzestau kommen, der die Dichtflächen zum Reißen bringt.

• Unzureichender Kühl-/Spülstrom: Verstopfte Spülleitungen, verkalkte Wärmetauscher oder Pumpenausfälle im Dichtungsunterstützungssystem verhindern eine ausreichende Kühlung. Die an den Flächen entstehende Wärme kann nicht abgeführt werden. Die Temperatur steigt weiter an, bis die thermischen Spannungen die Festigkeit des Materials übersteigen und Risse entstehen.
• Hohe Produkttemperatur: Beim Pumpen von heißem Öl, Dampfkondensat oder anderen Hochtemperaturflüssigkeiten sind Dichtungen ständiger Hitze ausgesetzt. Die Dichtungsflächen arbeiten nahe ihrer maximalen Temperatur. Jede zusätzliche Hitze durch Reibung oder Prozessstörungen führt zu einer Überhitzung.
• Thermische Zyklen: Wiederholte Heiß-Kalt-Zyklen ermüden das Dichtungsmaterial. Der Beginn mit heißem Produkt und anschließendes Spülen mit kaltem Wasser führt zu massiven Temperaturschwankungen. Jeder Zyklus schwächt das Material, bis schließlich Risse entstehen. Es ist, als würde man eine Büroklammer hin und her biegen, bis sie bricht.

Hohe Druck- und Geschwindigkeitsgrenzen (PV)

Jedes Dichtungsmaterial hat einen maximalen PV-Wert – das Produkt aus Druck und Oberflächengeschwindigkeit, dem es standhalten kann. Wird dieser Wert überschritten, entsteht durch Reibung übermäßige Hitze.

Bei einem Betrieb über 200,000 psi-ft/min steigen die Oberflächentemperatur und die Verschleißrate drastisch an. Die Kombination aus hoher Geschwindigkeit und hohem Druck erzeugt mehr Reibung, als der Flüssigkeitsfilm ableiten kann. Die Oberflächen erhitzen sich zunehmend, bis es zu thermischen Rissen kommt.

Kavitation

Kavitation führt zu einem heftigen Blasenkollaps, der lokale Überhitzungsstellen an den Dichtungsflächen erzeugt. Wenn der Flüssigkeitsdruck unter den Dampfdruck fällt, bilden sich Blasen, die dann an den Dichtungsflächen implodieren.

Diese Implosionen erzeugen mikroskopisch kleine Bereiche extremer Hitze und Drucks. Die wiederholte thermische Belastung durch Tausende von Blasenkollaps pro Sekunde führt schließlich zu dem für Hitzerisse charakteristischen radialen Rissmuster.

Kavitation verursacht außerdem Vibrationen, die den Flüssigkeitsfilm zwischen den Flächen stören. Dies führt zu zeitweisem Trockenlauf, der das Problem der thermischen Spannung noch verstärkt.

Lufteinschlüsse und Druckspitzen

Lufteinschlüsse und Druckstöße stören die stabilen Bedingungen, die Dichtungen für eine einwandfreie Funktion benötigen. Eingeschlossene Luft in der Stopfbuchse führt zu trockenen Stellen an den Stellen, an denen sich die Flächen ohne Schmierung berühren.

Druckspitzen beim Anfahren oder Prozessstörungen erhöhen plötzlich die Belastung der Dichtungsflächen. Dieser zusätzliche Druck drückt den Flüssigkeitsfilm heraus, was zu kurzzeitigem Metallkontakt und schneller Erwärmung führt.

Die Kombination aus Lufteinschlüssen und Druckschwankungen erzeugt unvorhersehbare Hotspots, die die Dichtungsflächen belasten. Mit der Zeit führen diese wiederholten Temperaturschocks zu den verräterischen radialen Rissen, die durch Hitzerisse entstehen.

FAQ

Können wärmegeprüfte Dichtungen repariert werden?

Nein, wärmegeprüfte Dichtungsflächen können nicht repariert werden und müssen ersetzt werden. Die Risse beeinträchtigen die Fähigkeit der Dichtung, einen ordnungsgemäßen Flüssigkeitsfilm aufrechtzuerhalten, und führen zu fortschreitender Beschädigung der Dichtfläche.

Wie schnell kann es zu Hitzerissen kommen?

Bei starkem Trockenlauf kann es innerhalb von Sekunden zu Wärmerissen kommen, unter Grenzbedingungen innerhalb von Stunden. Die Geschwindigkeit hängt von den extremen Temperaturen und der Geschwindigkeit ab, mit der sich die Dichtungsflächen erwärmen und abkühlen.

Welche Dichtungsmaterialien sind am widerstandsfähigsten gegen Hitzerisse?

Siliziumkarbid bietet aufgrund seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit im Allgemeinen die beste Beständigkeit gegen Hitzerisse. Kohlenstoff-Graphit-Werkstoffe sind ebenfalls gut geeignet, da sie Thermoschocks besser vertragen als Hartkeramiken.

Wie kann ich Wärmerisse in meinen Pumpendichtungen verhindern?

Sorgen Sie für einen ausreichenden Spülfluss, lassen Sie die Pumpen niemals trocken laufen, halten Sie die korrekte Flüssigkeitstemperatur ein und arbeiten Sie innerhalb der PV-Grenzen der Dichtung. Die Installation von Temperaturüberwachungs- und automatischen Abschaltsystemen bietet zusätzlichen Schutz vor Bedingungen, die zu Hitzeschäden führen.