Mechanische Dichtung

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Überblick über den Funktionsmechanismus von mechanischen Dichtungen für Pumpen. Mechanische Dichtungen sind eine allgemeine Art von Achsdichtungen für rotierende Maschinen. Mechanische Dichtungen werden hauptsächlich zur Abdichtung verschiedener Medien wie Gase und Flüssigkeiten eingesetzt, beispielsweise in Pumpen oder Reaktoren; sie dienen auch zur Gasabdichtung, zum Beispiel bei der Abdichtung der Antriebswellen von Kompressoren. Durch ihren geringen Leckagenwert sowie die Tatsache, dass sie keine regelmäßige Wartung erfordert, haben mechanische Dichtungen die weichen Dichtstoffe in Form von Verschlusselementen weitgehend ersetzt. Mechanische Dichtungen haben in der Regel zwei Dichtflächen, die senkrecht zur Achse der Drehachse liegen. Deshalb können sie auch als „radiale Enddichtungen“ bezeichnet werden. Eines der Dichtflächenkomponenten ist am Pumpendeckel, am Enddeckel oder am Pumpenkörper befestigt und bleibt somit in Ruhe. Die andere Komponente ist am Achsenstück befestigt und dreht sich daher mit dieser mit. Der stationäre Teil wird als Statorringkomponente bezeichnet (in statischen mechanischen Dichtungen auch als Schwimmringkomponente); der rotierende Teil wird als Rotorringkomponente bezeichnet. Um das Leckagevolumen in einem äußerst geringen Bereich zu halten, beträgt die Toleranz für die Glättung der Endflächen der drehenden und stehenden Ringe bei herkömmlichen mechanischen Dichtungen in der Regel 0,0006. Um zu gewährleisten, dass die durch Reibung entstehende Wärme sowie der Verschleiß an den beiden Oberflächen im zulässigen Bereich bleiben, muss es zwischen den Dichtflächen eine Schicht aus Flüssigkeitslubrikant geben. Bei einer Einflächenversiegelung wird in der Regel das Versiegelungsmittel als Schmierstoff verwendet. Bei doppelflächigen oder seriell geschalteten mechanischen Verschlüssen, die für giftige, schädliche, brennbare, explosive oder stark korrosive Medien eingesetzt werden, dient ein mit dem Medium mischbares Versiegelungsmittel als Schmier- und Kühlmittel. Um Verschleiß und Fertigungsfehler auszugleichen, sollte es eine Dichtfläche geben, die unter dem gemeinsamen Einfluss des elastischen Elements sowie des Drucks des Mediums in axialer Richtung eine gewisse Bewegung ermöglicht. Gleichzeitig sollte es eine Dichtfläche geben, die aufgrund von Winklabweichungen der drehenden Teile in radialer Richtung eine geringe Bewegungsfreiheit hat. In der Regel übernimmt eine Abdichtfläche beide Funktionen. Für die Abdichtung der Drehachse ist die mechanische Dichtung die am häufigsten verwendete Dichtart. Mechanische Dichtungen werden in der Regel mit Flüssigkeiten zur Dichtung verwendet, wie bei Zentrifugalpumpen; sie dienen auch zur Dichtung von Gasen, beispielsweise bei Kompressoren und Rührvorrichtungen. In diesem Lehrbuch stellen wir hauptsächlich die mechanischen Dichtungen für Pumpen im Zusammenhang mit flüssigen Medien vor. Durch ihren geringen Leckstrom sowie die Notwendigkeit keiner regelmäßigen Wartung haben mechanische Dichtungen die Stoffdichtungen weitgehend ersetzt. Mechanische Dichtungen haben in der Regel zwei Dichtflächen, die senkrecht zur Drehachse verlaufen, weshalb sie auch als „radiale Enddichtungen“ bezeichnet werden können. Eine der Dichtflächen ist am festen Pumpenhalter oder am Pumpenkörper befestigt und wird als „Statorring“ bezeichnet; die andere ist am drehenden Axial befestigt und dreht sich gemeinsam mit diesem, weshalb sie als „Rotorring“ bezeichnet wird. Um das Leckagenmaß des Mediums im zulässigen Bereich zu halten, müssen diese beiden sich gegeneinander bewegenden Kontaktflächen einen sehr kleinen Abstand aufweisen – in der Regel sollte dieser kleiner als 0,001 mm sein. Zudem müssen Hilfsysteme vorhanden sein, um die Endflächen der mechanischen Dichtungen zu kühlen und zu schmieren. Abbildung 1–1: Dichtungsspiel. Um zu verhindern, dass die durch Reibung zwischen den beiden Endflächen entstehende Wärme sowie der Verschleiß in zulässigen Grenzen bleiben, muss es zwischen den Dichtflächen eine Schicht aus Flüssigkeitsöl geben, die aus dem zu dichtenden Medium gebildet wird. Theoretisch weisen alle mechanischen Dichtungen einen gewissen Grad an Leckagen auf – nur sind diese im Vergleich zu anderen Dichtungen viel geringer. Bei einigen Dichtungen können wir keine Leckagen erkennen, denn das fließende Fluid verdampft bereits, bevor es die Dichtflächen verlässt; deshalb können wir es nicht sehen. Im Allgemeinen sind bei derselben Maschinenversiegelung das Leckagevolumen und die Lebensdauer zwei Parameter, die umgekehrt proportional zueinander stehen: Je höher das Leckagevolumen ist, desto dicker ist auch die Flüssigkeitsschicht an den Endflächen – und dadurch ist die Lebensdauer länger. Daher sollte bei der Montage eines mechanischen Dichtungssystems nicht nur auf einen geringen Leckstrom geachtet werden. Es müssen vielmehr alle relevanten Faktoren berücksichtigt werden. Wenn man ausschließlich auf einen geringen Leckstrom achtet, führt dies dazu, dass die Federn stärker komprimiert werden – mit der Folge, dass die Oberflächen des mechanischen Dichtungssystems stark abgenutzt werden. Im Mikrobereich sind die beiden Abdichtungsflächen nicht besonders glatt; es gibt vielmehr Oberflächenunebenheiten, die zu Wellenköpfen und -tälern führen (siehe Abbildung 1-1, 2). Zwischen diesen Wellenköpfen und -tälern befindet sich eine Flüssigkeitsschicht. Doch diese Schichten sind miteinander nicht verbunden. Deshalb kommt es in Ruhezustand in der Regel zu keinem Leck. Abbildung 1–2: Mikrofotografien der Dichtflächen des mechanischen Dichtungsringes der Wasserturbinenpumpe. Um Abnutzung sowie Herstellungsfehler auszugleichen, muss es eine Dichtfläche geben, die sich axial bewegen kann. Gleichzeitig sollte, um den durch die Winkelabweichung der drehenden Teile verursachten Schwingungen entgegenzuwirken, eine der Dichtflächen radial verschiebbar sein. In der Regel übernimmt dieselbe Abdichtungsfläche beide Funktionen. Das schwebende Ende kann sowohl der statische als auch der bewegliche Ring sein. Doch wenn die Oberflächen-Geschwindigkeit am Drehachse mehr als 15 m/s beträgt, wird das schwebende Ende als Statorring eingestellt, um den Einfluss der Zentrifugalkräfte zu vermeiden. Tatsächlich ist der Betriebszustand der Dichtflächen einer mechanischen Dichtung derselbe wie bei Lagerdichtungen mit Gleitreibung. Doch aufgrund der Eigenschaften mechanischer Dichtungen wie einem kleinen Bewegungsspielraum, schlechten Schmierfähigkeiten sowie geringem Schmierstrom ist ihre Konstruktion schwierig und ihre Betriebssicherheit gering. Im Folgenden vergleichen wir die Betriebsparameter von mechanischen Dichtungen und Drucklagern: Tabelle 1-1 zeigt einen Vergleich der Parameter von mechanischen Dichtungen und Drucklagern. Abbildungen 1–3 zeigen die am häufigsten verwendeten Konstruktionen von mechanischen Dichtungen in unseren Kraftwerken. Die Dichtfläche entsteht durch die Berührung der Flächen des beweglichen und des feststehenden Rings während ihrer gegenseitigen Drehung. Die Dichtflächen werden durch Schleifenbearbeitung zu Flächen mit sehr hoher Planheit hergestellt. Diese Planheit kann in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts gemessen werden. Laut den Vorgaben der chinesischen Norm JB4127-85 „Technische Anforderungen an mechanische Dichtungen“ darf die Planheit der Dichtflächen 0,9 µm nicht überschreiten; in der Praxis wird jedoch ein Wert von 0,6 µm angestrebt. In drehbaren mechanischen Dichtungen kann der bewegliche Ring entlang der Achse verschieben werden. In stationären mechanischen Dichtungen kann der stationäre Ring (auch Schwimmring genannt) ebenfalls entlang der Achse verschieben werden. Dadurch sorgen der Druck des Dichtflüssigkeits sowie die Federkraft während des Betriebs dafür, dass die Dichtflächen in Kontakt bleiben. Wenn der Druck der Dichtflüssigkeit nicht ausreicht, kann die Feder den fehlenden Druck ausgleichen. Abbildung 1–3: Aufbau einer mechanischen Dichtung. Die Stärke der Dichtkraft muss unter Berücksichtigung beider Faktoren – Leckagen und Abnutzung – bestimmt werden. Bei starken mechanischen Vibrationen oder Druckschwankungen muss eine ausreichende Verdichtungskraft vorhanden sein, um die Verbindung der Dichtflächen zu gewährleisten. Hilfsende Dichtungen werden in der Regel mit Gummiringen vom Typ „0“ verwendet. Der Reibungskraft, die durch das gegenseitige Gleiten der versiegelten Endflächen entsteht, kommt eine große Wärmeentstehung zugute. Dichtungen mittlerer Größe und Drehzahl mit einer Wärmeentwicklung von 100–1000 W. Diese Wärme wird durch die Leitfähigkeit der Dichtelemente weitergeleitet und gelangt schließlich zum umgebenden Fluid, wo sie vom Dichtigspül- oder Kühlsystem abtransportiert wird. Das aus dem Material austretende Flüssigkeit nimmt ebenfalls einen kleinen Teil der Wärme mit sich. Die Temperatur zwischen den abgedichteten Endflächen muss sicherlich unter dem Siedepunkt des Dichtmediums gehalten werden. Die Verdampfung des Mediums kann zu starkem Verschleiß der Dichtung führen – das ist äußerst wichtig! Üblicherweise wird das Fluid vom Hochdruckende der Pumpe entnommen, um die mechanische Dichtung zu spülen (dazu wird später ausführlicher erklärt). Wenn die Temperatur des Mediums zu hoch ist, müssen zusätzliche Kühlsysteme eingesetzt werden. Das Dichtmedium zirkuliert im Kühlsystem durch den Druckunterschied zwischen Ein- und Auslass der Pumpe oder durch den durch die Konstruktion des Dichtsystems selbst erzeugten Pumpendruck. Die Wärme wird anschließend durch das Kühlwasser abgeführt. Um zu verhindern, dass die Partikel im Medium die Dichtflächen abnutzen, sind in diesem System in der Regel auch Filter oder Schwerkrafttrenner eingebaut. Bei der Auswahl des Materials für die abgedichteten Endflächen sind folgende Aspekte wichtig: gute Schmiereigenschaften (Passformkompatibilität); Widerstandsfähigkeit gegen chemische Korrosion durch die verwendeten Medien (chemische Kompatibilität); sowie Anpassungsfähigkeit an Temperatur und andere Betriebsbedingungen (z. B. Abnutzungsresistenz, Wärmeleitfähigkeit). In der Regel besteht einer der Dichtungsringe aus Kohlenstoff-Grafit-Material, während der andere Ring, der mit ihm verbunden ist, aus Metall, Legierung, Keramik oder Hartmetall besteht. Kohlenstoff-Ein-Grafit kombiniert Schiebeeigenschaften mit chemischer Verträglichkeit (Korrosionsbeständigkeit). Wenn sie als Dichtungsring verwendet werden, werden Kohlenstoff-Grafite in der Regel mit Harz oder Metall überzogen. Die Schmierung der Dichtflächen erfolgt durch eine selbstregulierende Funktion. Je nach Struktur und Arbeitsbelastung kann die Schmierung entweder durch eine Flüssigkeitsschicht erfolgen, die die beiden Endflächen voneinander trennt, oder durch den direkten Kontakt der unebenen Oberflächen sowie durch die Flüssigkeitsschicht. Nur wenn die Schmierstelle effektiv geschmiert wird, kann eine zufriedenstellende Dichtigkeit erreicht werden. Andernfalls verschleißen die Endflächen des mechanischen Verschlusses schnell, was zu einer verkürzten Lebensdauer führt.