Was ist eine Hochdruck-Gleitringdichtung?

Was ist eine Hochdruck-Gleitringdichtung?

Eine Hochdruck-Gleitringdichtung ist eine kritische Komponente in Maschinen, die unter extremen Druckbedingungen arbeiten, typischerweise über 50 bar (725 psi). Diese Dichtungen sind so konzipiert, dass sie das Austreten von Flüssigkeiten oder Gasen aus der Anlage verhindern und gleichzeitig den enormen Kräften standhalten, die in Hochdruckumgebungen entstehen.

Die Hauptfunktion einer Hochdruck-Gleitringdichtung besteht darin, selbst unter schwierigsten Bedingungen eine sichere Barriere zwischen dem Prozessmedium und der Atmosphäre aufrechtzuerhalten. Diese Dichtungen bestehen aus zwei Hauptkomponenten: einem stationären Teil (Stator) und einem rotierenden Teil (Rotor), die durch eine Kombination aus Hydraulik- und Federkräften zusammengepresst werden. Die Dichtflächen bestehen normalerweise aus harten, verschleißfesten Materialien wie Siliziumkarbid, Wolframkarbid oder Keramik, die den hohen Drücken und Temperaturen standhalten, die bei diesen Anwendungen auftreten.

Funktionsweise von Hochdruck-Gleitringdichtungen

Das Funktionsprinzip von Hochdruck-Gleitringdichtungen beruht auf der Bildung eines dünnen Flüssigkeitsfilms zwischen den stationären und rotierenden Dichtungsflächen. Wenn sich die Welle dreht, werden die Dichtungsringe durch eine Kombination aus Federkraft und Hydraulikdruck der Prozessflüssigkeit zusammengedrückt. Dieser Druck führt dazu, dass eine kleine Menge der Prozessflüssigkeit zwischen den Dichtungsflächen austritt, wodurch ein dünner, stabiler Flüssigkeitsfilm entsteht, der die Flächen schmiert und kühlt und gleichzeitig weitere Leckagen verhindert.

Der Flüssigkeitsfilm zwischen den Dichtungsflächen wird durch ein empfindliches Gleichgewicht zwischen Hydraulikdruck, Federkraft und der präzisen Geometrie der Dichtungsflächen aufrechterhalten. Die Dichtungsflächen werden auf eine sehr hohe Ebenheit geläppt, typischerweise innerhalb von 2-3 Heliumlichtbändern (0,22-0,33 µm), um einen gleichmäßigen Kontakt zu gewährleisten und Leckagen zu minimieren. Der rotierende Dichtungsring wird normalerweise mit einem flexiblen Balg oder einem anderen sekundären Dichtungselement auf der Welle montiert, das kleinere Wellenfehlstellungen und axiale Bewegungen ausgleicht und gleichzeitig die Dichtung aufrechterhält.

Welcher Gleitringdichtungstyp wird für Hochdruckanwendungen verwendet?

Angesicht zu Angesicht

Bei einer Face-to-Face-Anordnung werden zwei Gleitringdichtungen mit ihren Dichtungsflächen zueinander ausgerichtet eingebaut. Diese Anordnung wird häufig bei Hochdruckanwendungen verwendet, da sie die auf die Dichtungsflächen wirkenden Hydraulikkräfte ausgleicht und so die Nettoschließkraft und Wärmeentwicklung reduziert. Face-to-Face-Dichtungen bieten außerdem ein gewisses Maß an Redundanz, da die zweite Dichtung als Backup dienen kann, wenn die primäre Dichtung versagt.

Rücken an Rücken

Back-to-back-Dichtungen sind so angeordnet, dass ihre Dichtungsflächen voneinander weg zeigen. Der Raum zwischen den Dichtungen ist normalerweise mit einer Pufferflüssigkeit gefüllt, die einen höheren Druck aufweist als die Prozessflüssigkeit. Diese Anordnung wird verwendet, wenn die Prozessflüssigkeit gefährlich, giftig oder umweltempfindlich ist, da jegliche Leckage der Primärdichtung durch die Pufferflüssigkeit und die Sekundärdichtung aufgefangen wird. Back-to-back-Dichtungen erfordern ein separates Pufferflüssigkeitssystem sowie zusätzliche Rohrleitungen und Instrumente.

Tandem (oder von Angesicht zu Rücken)

Tandem- oder Face-to-Back-Dichtungen kombinieren Elemente von Face-to-Face- und Back-to-Back-Anordnungen. Bei dieser Konfiguration werden zwei Dichtungen mit ihren Flächen in entgegengesetzte Richtungen eingebaut, wobei die Primärdichtung dem Prozessmedium zugewandt und die Sekundärdichtung davon abgewandt ist. Der Raum zwischen den Dichtungen wird normalerweise an einen sicheren Ort entlüftet oder an ein Pufferflüssigkeitssystem mit einem niedrigeren Druck als dem des Prozessmediums angeschlossen. Tandemdichtungen bieten sowohl die druckausgleichenden Vorteile von Face-to-Face-Dichtungen als auch die Sicherheits- und Eindämmungsfunktionen von Back-to-Back-Dichtungen.

Faktoren, die die Leistung von Gleitringdichtungen bei hohem Druck beeinflussen

Druck der Prozessflüssigkeit auf die Dichtungsflächen

Mit steigendem Flüssigkeitsdruck erhöht sich auch die Schließkraft auf die Dichtungsflächen, was zu höheren Flächenbelastungen, erhöhter Wärmeentwicklung und potenziell schnellerem Verschleiß führt. Um diesen Effekten entgegenzuwirken, sind Hochdruckdichtungen häufig mit Ausgleichslöchern, Nuten oder Öffnungen in den Dichtungsflächen ausgestattet, um die effektive Schließkraft zu verringern und einen stabilen Flüssigkeitsfilm aufrechtzuerhalten.

Temperaturregelung in der Dichtungskammer

Hohe Temperaturen können zu einer thermischen Ausdehnung der Dichtungskomponenten führen, was zu erhöhten Flächenbelastungen und Verschleiß führt. Übermäßige Hitze kann auch die Schmiereigenschaften des Flüssigkeitsfilms beeinträchtigen, was zu mehr Reibung und einem erhöhten Risiko eines Dichtungsversagens führt. Um diese Probleme zu mildern, sind Hochdruckdichtungen häufig mit Kühlmänteln, Wärmetauschern oder Thermosiphonsystemen ausgestattet, um Wärme aus der Dichtungskammer abzuleiten und stabile Betriebstemperaturen aufrechtzuerhalten.

Richtige Schmierung und Kühlung der Dichtungsflächen

Der Flüssigkeitsfilm zwischen den Dichtungsflächen dient sowohl als Schmiermittel als auch als Kühlmittel. Er führt Reibungswärme ab und verhindert direkten Kontakt zwischen den Flächen. Um eine ausreichende Schmierung und Kühlung zu gewährleisten, können Hochdruckdichtungen mit Merkmalen wie Spiralnuten, radialen Schlitzen oder Mikrostrukturen auf den Dichtungsflächen ausgestattet sein, um die Flüssigkeitszirkulation und Wärmeableitung zu fördern. Die Auswahl von Dichtungsflächenmaterialien mit guter Wärmeleitfähigkeit und selbstschmierenden Eigenschaften, wie Siliziumkarbid oder graphithaltige Materialien, kann die Schmier- und Kühlleistung ebenfalls verbessern.

Unterstützungssysteme für Hochdruckanwendungen mit Gleitringdichtungen

Hochdruck-Gleitringdichtungen erfordern spezielle Unterstützungssysteme, um optimale Leistung und Langlebigkeit zu gewährleisten. Diese Systeme helfen dabei, stabile Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten, Dichtungsfehler zu verhindern und die Lebensdauer der Dichtungen zu verlängern. Eine entscheidende Komponente ist der API Plan 52, der einen Pufferflüssigkeitsbehälter verwendet, um eine saubere, kühle und unter Druck stehende Umgebung für die Dichtungen bereitzustellen.

Das API Plan 52-System lässt eine kompatible Pufferflüssigkeit wie Glykol oder Öl bei einem höheren Druck als die Prozessflüssigkeit durch eine Dichtungskammer zirkulieren. Dieser positive Druckunterschied verhindert, dass Prozessflüssigkeit in die Dichtungskammer eindringt, minimiert Verunreinigungen und verlängert die Lebensdauer der Dichtung. Das System trägt auch zur Ableitung der von den Dichtungen erzeugten Wärme bei und hält so eine stabile Betriebstemperatur aufrecht.

Zu den weiteren wichtigen Unterstützungssystemen für Hochdruck-Gleitringdichtungen gehören:

1. Richtige Schmierung der Dichtungsflächen: Eine ausreichende Schmierung ist entscheidend, um Reibung und Verschleiß an den Dichtungsflächen zu verringern. Dies kann durch den Einsatz von Sperrflüssigkeiten wie Öl oder Fett oder durch die Integration von Schmierfunktionen in die Dichtungskonstruktion erreicht werden.
2. Temperaturkontrolle: Die Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur in der Dichtungskammer ist entscheidend, um thermische Verformungen zu verhindern und eine korrekte Ausrichtung der Dichtungsflächen sicherzustellen. Dies kann durch den Einsatz von Kühlmänteln, Wärmetauschern oder Temperaturregeleinheiten erreicht werden.
3. Drucküberwachung: Durch die kontinuierliche Überwachung des Drucks in der Dichtungskammer können Anomalien oder Lecks erkannt werden. So sind rechtzeitige Wartungsarbeiten möglich und katastrophale Ausfälle können verhindert werden.

Anwendungen von Hochdruck-Gleitringdichtungen

• Kreiselpumpen: Hochdruck-Gleitringdichtungen werden in Kreiselpumpen verwendet, die Flüssigkeiten unter hohem Druck fördern, wie etwa Kesselspeisewasserpumpen, Rohrleitungspumpen und Injektionspumpen in Öl- und Gasquellen.
• Kompressoren: Gleitringdichtungen werden in Hochdruckkompressoren für Gase wie Wasserstoff, Erdgas und Kohlendioxid sowie in Kältekompressoren mit Hochdruckkältemitteln verwendet.
• Turbinen: Hochdruckdichtungen werden in Dampf- und Gasturbinen verwendet, um das Austreten von Hochdruckdampf oder Verbrennungsgasen aus dem Turbinengehäuse zu verhindern.
• Reaktoren und Druckbehälter: Gleitringdichtungen werden in Rührwerken, Mischern und anderen rotierenden Geräten in Hochdruckreaktoren und Druckbehältern in der chemischen Verarbeitung und Petrochemie verwendet.
• Unterwasserausrüstung: Hochdruckdichtungen sind kritische Komponenten in Unterwasser-Öl- und Gasproduktionsanlagen wie Unterwasserpumpen, Kompressoren und Ventilen, wo sie extremem Druck und rauen Umgebungsbedingungen standhalten müssen.
• Hochdruck-Wassersysteme: Gleitringdichtungen werden in Hochdruckwasserpumpen und Ventilen bei Anwendungen wie der Umkehrosmose-Entsalzung, Hochdruckreinigung und Wasserstrahlschneiden eingesetzt.

FAQs

Was ist die Druckgrenze für Gleitringdichtungen?

Im Allgemeinen können Standard-Gleitringdichtungen Drücke bis zu etwa 20 Bar (290 psi) bewältigen, während Hochdruckdichtungen für Drücke im Bereich von 20 bis 200 Bar (290 bis 2.900 psi) oder mehr ausgelegt sind.