Was verursacht den Bruch der Welle einer Kolbenzahnradpumpe?

        Nachdem ein Dachdeckerhersteller jahrelang große Innenzahnradpumpen zur Förderung von Bitumenflussmitteln verwendet hatte, kam es bei mehreren Pumpen zu Wellenbrüchen. Diese Wellenbrüche waren in der Vergangenheit selten und wurden dem Pumpenlieferanten zur Kenntnis gebracht. Diese Pumpen arbeiten normalerweise mit 100 Gallonen pro Minute (gpm) und einem Förderdruck von unter 100 Pfund pro Quadratzoll (psi). Das System verwendet einen Thermoöl-Heizkreislauf, um das Bitumenflussmittel auf einer proprietären hohen Temperatur zu halten und so die Viskosität des Produkts auf ein Niveau zu senken, das ausreicht, um einen gleichmäßigen Fluss zu gewährleisten und die Ablagerung von festem Bitumenflussmittel an den Wänden zu verringern.
       Die Pumpen werden von einem 30 PS starken Motor mit 1750 Umdrehungen pro Minute (U/min) und einem Getriebe angetrieben, das die Pumpengeschwindigkeit auf 100 U/min bei einem Produktdurchfluss von 100 gpm reduziert.
       Diese Pumpen werden zum Transport des bituminösen Flussmittels aus den Lagertanks in der Destillationsanlage zur endgültigen Anwendung des bituminösen Flussmittels in der Produktionslinie verwendet.
        Dieselben Pumpen werden an diesem Standort seit über 20 Jahren verwendet. In der Regel haben diese Pumpen unter solchen Bedingungen eine viel längere Lebensdauer, und ein derartiger Ausfall ist in der Vergangenheit noch nie aufgetreten. Insbesondere verwendete das Unternehmen zwei Versionen derselben Pumpengröße für zwei unterschiedliche Anwendungen. Eine gilt als weiche Pumpe für die Anwendung von Asphaltflussmitteln und die andere als harte Füllpumpe für das Füllen von Asphalt. Starre Pumpen haben Rotoren und Wellen aus gehärtetem Stahl, um den Verschleiß durch Schleifmittel im gefüllten Asphalt zu verringern.
        Als der Pumpenlieferant das Problem mit der gebrochenen Welle bemerkte, lag die Zahl der ausgefallenen Pumpen innerhalb von etwa 12 Monaten bei 6. Insgesamt gibt es in dieser Anwendung 18 Pumpen. In den letzten Jahren lag die durchschnittliche Anzahl der Pumpenausfälle im gleichen Zeitraum bei einer. Bei einigen Pumpen war die Welle gebrochen und die Wellen-/Rotorverbindung war abgeschert, bei anderen drehte sich die Welle im Rotor und die Stellschraube, die Rotor und Welle zusammenhalten sollte, war abgeschnitten.
        Bei einer starren Pumpe befindet sich die Scherachse, bei einer weichen Pumpe die im Rotor rotierende Welle. Der Fehler wurde analysiert und die folgenden Ergebnisse wurden ermittelt und wie angegeben behoben.
        Pumpenlieferanten und -hersteller analysieren Pumpen mit gebrochenen oder rotierenden Wellen sorgfältig. Welle und Stellschraube wurden Maßprüfungen und metallurgischen Analysen unterzogen. Beide entsprechen den Anforderungen des Herstellers. Nachdem die Pumpe verbrannt wurde, um verhärtete Reste zu entfernen, deutete abnormaler Verschleiß in der Pumpe darauf hin, dass zu hoher Förderdruck die Welle verbogen und den Rotor auf der Saugseite gegen das Pumpengehäuse prallen ließ (siehe Abbildungen 2 und 3).
        Auf der Saugseite des Gehäuses, wo der Rotor gegen die Gehäusewand gedrückt wird, sind Verschleißerscheinungen zu erkennen. Auch die Saugseite der Kopfplatte weist Verschleißerscheinungen auf und der Rotor biegt sich in den Kopf hinein. Andere Verschleißerscheinungen an Buchsen, Spannrollen und Halbmonden deuten ebenfalls auf Überdruck und eine daraus resultierende Biegung und Ablenkung der Welle hin. Wenn der Rotor gegen Körper und Kopf drückt, kann ein übermäßiges Drehmoment dazu führen, dass die Welle im Inneren des Rotors bricht oder sich dreht und die Stellschraube abreißt.
        Laut Hersteller „verursachte der daraus resultierende Überdruck eine Verbiegung der Welle, was wiederum zu Gehäuseverschleiß, Kopfverschleiß und schließlich zum Ausfall der Rotor-/Wellenbaugruppe führte.“ Als Ergebnis der Analyse nahm der Hersteller Änderungen am Design der Pumpen vor und führte eine Analyse der Verfahren für den Betrieb der Prozesse in der Anlage durch.
        Der Pumpenhersteller gibt für diese Pumpe einen maximalen Förderdruck von 150 psi an, was teilweise auf die Größe der Welle und das daraus resultierende Längen-Durchmesser-Verhältnis (L/D) der Welle zurückzuführen ist. Jeder Druck über 150 psi kann dazu führen, dass sich die Welle verbiegt und verformt, was sich beim Brechen des Objekts zeigt.
        Die Standardbetriebsverfahren der Anlage gleichen einen maximal zulässigen Auslassdruck von 150 psi aus, und es wurde darauf geachtet, die Temperatur und Viskosität des bituminösen Flussmittels so aufrechtzuerhalten, dass der Auslassdruck diesen Grenzwert nicht überschreitet. Tatsächlich überschritt der Druck, wie das Wartungsteam der Anlage später Informationen über den Prozess sammelte, selten 100 psi.
        Es muss jedoch auch berücksichtigt werden, ob Energiesparmaßnahmen dazu führen können, dass der Abgabedruck den maximal zulässigen Abgabedruck der Pumpe überschreitet. Bei Anlagenstillständen, beispielsweise an Wochenenden, wird die Temperatur des bituminösen Flussmittels, die durch den Thermoöl-Heizkreislauf aufrechterhalten wird, gesenkt, um Energie zu sparen. Nach einer Untersuchung wurde festgestellt, dass die Anlaufzeit, die erforderlich ist, um das Bitumen auf eine akzeptable Temperatur und Viskosität zu bringen, nicht erhöht werden konnte, um den kälteren Wochenendstillstand auszugleichen. Nach einem Wochenendstillstand kann der Asphalt beim Anfahren also zu kalt und zu viskos sein, wobei der Pumpenabgabedruck über dem Grenzwert von 150 psi liegt. Da während dieser Anläufe oder Pumpenausfälle keine Temperatur- und Druckaufzeichnungen vorhanden waren, wurde diese Annahme getroffen.
        Unter Berücksichtigung dieser Faktoren unternahm der Hersteller Schritte, um das Problem der Pumpenwellendurchbiegung zu beheben, während sich das Wartungsteam der Anlage auf das Problem der Standardbetriebsabläufe konzentrierte. Jede Gruppe ergreift Maßnahmen, um weitere Wellenausfälle zu vermeiden.
        Der Pumpenhersteller hat das Pumpendesign geändert und eine größere Welle eingebaut. Der Wellendurchmesser wurde um 40 % vergrößert.
        Diese dickere Welle trägt dazu bei, die Wellendurchbiegung um 66 % zu reduzieren, was den vorzeitigen Verschleiß und die Ausfallwahrscheinlichkeit der Rotor-/Wellenbaugruppe verringert. Größere Wellen erhöhen das L/D-Wellendurchbiegungsverhältnis und erhöhen den maximal zulässigen Auslassdruck auf 200 psi.
        Diese Konstruktionsänderung wurde später zum Standard für Pumpen dieser Größe in allen zukünftigen Produkten des Herstellers. Der Wellendurchmesser auf der Antriebsseite der Pumpe hat sich nicht geändert, sodass vorhandene Kraftübertragungsgeräte wie Riemenscheiben und Kupplungen weiterhin für die Pumpe verwendet werden können.
        Pumpenlieferanten installieren Prozessüberwachungsgeräte an Bitumenflussmittelpumpen, um Prozesskreislauftemperatur, Abgabedruck und Motorstrom zu messen. Das Wartungsteam vor Ort zeichnete alle zwei Sekunden elektronisch auf und führte drei Monate lang dreimal täglich eine visuelle Überwachung durch.
        Das Wartungsteam der Anlage überprüfte die Standardbetriebsverfahren, insbesondere in Bezug auf die Abschalt- und Startverfahren für den Bitumen-Flux-Temperaturkreislauf. Ursprünglich wurden die Änderungen vorgenommen, um einen Kaltstart zu verhindern.
       Durch die Analyse der Verschleißmuster der Pumpe konnte das Team feststellen, ob ein Überdruck in der Pumpe herrschte. So konnte es sich auf die Ursache des hohen Drucks konzentrieren und herausfinden, welche Schritte unternommen werden können, um künftige Wellenausfälle und unnötige Ausfallzeiten zu verhindern.
        Das Werksmanagementteam untersuchte sorgfältig die Temperatur und Viskosität des Produkts unter Betriebsbedingungen, während der Stillstandszeit und während des Anfahrens. Sie kamen zu dem Schluss, dass Änderungen in den Betriebsverfahren vorgenommen werden könnten, um Kaltstartbedingungen zu vermeiden, die die Viskosität des bituminösen Flussmittels erhöhen und hohe Druckstöße verursachen könnten. Pumpenhersteller sind sich einig, dass bei Pumpen dieser Größe größere Wellen verwendet werden können und dass eine geringere Wellendurchbiegung und höhere Drücke erreicht werden können. Das Design ist jetzt ein Standardangebot des Herstellers.
       Durch die Analyse der Grundursache des Fehlers arbeitete ein Team aus Anlageninstandhaltern, Pumpenherstellern und Pumpenlieferanten daran, Pumpenausfälle aufgrund von Wellenbrüchen zu reduzieren.