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Die 7 häufigsten Ausfälle mehrstufiger Kreiselpumpen
Tipps und Tricks

Die 7 häufigsten Ausfälle mehrstufiger Kreiselpumpen

  • Katarina Knafelj Jakovac

    27. November 2023

Die häufigsten Rotationsmaschinen in industriellen und Fertigungsanlagen sind einstufige und mehrstufige Zentrifugalpumpen.

Eine Zentrifugalpumpe ist eine Maschine, bei der die mechanische Energie der Antriebsmaschine, normalerweise ein Elektromotor, in die kinetische Energie der gepumpten Flüssigkeit umgewandelt wird.

Die Diagnose von Ausfällen von Zentrifugalpumpen hat sich erheblich weiterentwickelt, seit vor über 50 Jahren der Klang eines defekten Lagers zu den wenigen Anzeichen gehörte, die ein erfahrener Mechaniker benötigte, um zu verstehen, welche Probleme eine fehlerhafte Pumpe hat und warum dies geschieht.

Mehrstufige Zentrifugalpumpen sind konstruktiv mit mehreren Rotoren kleinerer Durchmesser ausgelegt, die nacheinander auf derselben Welle montiert sind und weniger Spiel zwischen den Verschleißringen des Rotors und des Gehäuses gemäß den Standards API 610 und ISO 13709 aufweisen.

Die Pumpe überhitzt während des Betriebs.

In Abbildung ist eine schematische Darstellung einer Pumpe mit 12 Rotoren, d. h. 12 Stufen, und ihren Komponenten dargestellt. Alle Rotoren sind in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.

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Abbildung: Querschnitt einer mehrstufigen Pumpe und Hauptkomponenten

Die Welle dreht alle Rotoren in dieselbe Richtung, sodass sie sich im Betrieb wie mehrere separate einstufige Zentrifugalpumpen verhalten, die in einem gemeinsamen Gehäuse montiert sind.

Wenn die Flüssigkeit von einer Stufe oder einem Rotor zu einer anderen fließt, erhöht sich der Förderdruck proportional, was zu einem höheren Druck führt, der von der mehrstufigen Zentrifugalpumpe im Vergleich zu einer einstufigen Zentrifugalpumpe erreicht wird.

Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass mehrstufige Pumpen mit einem geringeren elektrischen Motorleistungsbedarf und weniger Energieverbrauch eine bessere Effizienz erzielen.

Andererseits erreichen einstufige Zentrifugalpumpen höhere Strömungen und niedrigere Drücke und eignen sich für die Installation in Prozessbedingungen, in denen große Strömungen von Arbeitsmedien erforderlich sind.

Das Fehlen kleiner Abstände zwischen Rotor und Gehäuse verhindert das Pumpen von Arbeitsmedien, die abrasive Partikel, Verunreinigungen oder feste Teile enthalten.

Daher werden mehrstufige Zentrifugalpumpen für saubere Arbeitsmedien wie Wasser und dünnflüssige Flüssigkeiten wie Benzin, Fruchtsaft und Alkohol verwendet.

Das Pumpengehäuse kann in Form eines einzelnen Zylinders gegossen sein, sodass wir sagen, dass es eine Fasspumpe ist, oder es kann aus einer Reihe von Segmenten montiert werden, wobei sich jeder Rotor in einem separaten Segment des Gehäuses befindet.

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Bild: Mehrstufige Zentrifugalpumpe mit Fassgehäuse (Quelle)

Die Axiallast auf der Welle wird auf Gleitlagern getragen, während radiale Lasten hauptsächlich von Kugellagern getragen werden. Jede mehrstufige Pumpe hat 2 mechanische Dichtungen, die zum Kupplungsende und gegenüber der Kupplung montiert sind.

Das Gehäuse besteht aus einem Stück und ist horizontal in zwei Teile geteilt.

Mehrstufige Pumpe mit 4 Rotoren

Bild: Mehrstufige Pumpe mit 4 Rotoren

Ausfälle sind in der Regel das Ergebnis ungeeigneter Betriebsbedingungen, unzureichender Wartung, ungeeigneter Konstruktion, Montagefehler oder einer Kombination der genannten Gründe.

Die häufigsten Symptome von Ausfällen, die bei mehrstufigen Pumpen auftreten, sind:

1) Die Pumpe liefert nach dem Start keinen Druck auf der Druckseite.

Der Grund dafür ist eine unzureichende Menge an Arbeitsmedien im Gehäuse (wir sagen, dass die Pumpe vollständig untergetaucht sein muss) oder es befinden sich Restluftblasen im Gehäuse und Saugleitung.

Andere Ursachen sind unzureichende Drehzahl, falsche Drehrichtung, ein verstopfter Rotor oder eine verstopfte Ansaugöffnung am Gehäuseeinlass, wie im Bild gezeigt.

Um diese Ursachen zu beseitigen, ist es notwendig sicherzustellen, dass das Pumpengehäuse vollständig mit Arbeitsmedien bei der entsprechenden Temperatur gefüllt ist und entlüftet wird, wobei das Saugventil zu 100 % geöffnet ist.

Überprüfen Sie, ob die Motorphasen ordnungsgemäß angeschlossen sind, und überprüfen Sie, ob der Elektromotor die erforderliche Drehzahl erreicht. In einem Fall wurden Motorphasen vertauscht, und der Elektromotor hat die mehrstufige Pumpe in die falsche Richtung gedreht. Die Folgen zeigten sich schnell in Form von beschädigten internen und externen Dichtungen und leichten Schäden am vorderen und hinteren Gehäuse des Pumpenrotors.

2) Die Pumpe liefert einen niedrigen Druck auf der Druckseite.

Erneut könnte die Ursache die falsche Drehrichtung des Elektromotors sein, eine Blockade in der Druckleitung, Verstopfung des Saugfilters und zu niedrige Drehzahl.

Darüber hinaus verhindern luftgefüllte Taschen im Gehäuse, beschädigte Gehäuse- oder Rotorverschleißringe wie auf dem Bild gezeigt, ebenfalls das Erreichen eines ausreichenden Flusses oder einer ausreichenden Förderhöhe des Arbeitsmediums.

Der Saugfilter oder das Sieb sollten regelmäßig gereinigt werden, um sicherzustellen, dass die Saug- und Druckleitungen frei sind. Y-förmige Saugfilter werden häufig an Pumpensaugleitungen montiert.

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Bild: Y-Filter am Saugrohr der Pumpe (Quelle)

Y-Siebe oder Filter sind nach ihrer Form benannt und können je nach Rohrleitungs-Konfiguration einfach horizontal oder vertikal installiert werden.

Es ist unerlässlich, die Pumpe vor dem Start zu entlüften und den Zustand des Rotors und der Verschleißringe während jeder Wartung zu überprüfen (Risse, Oberflächenschäden, Korrosion, Erosion usw.).

Bei der Montage der Rotoreinheit sollten die entsprechenden Freiräume zwischen Rotor und Gehäuse, dem Ausgleichslager im Verhältnis zum Stator, dem Gleitlager im Verhältnis zur Hülse und der Rotornabe im Verhältnis zum Diffusor sichergestellt werden.

Die Tabelle zeigt ein Beispiel für die erforderlichen Freiräume aus der Bedienungsanleitung des Originalherstellers in Zoll und Millimetern:

Beispiel erforderlicher Freiräume
(Quelle)

3) Die Pumpe schaltet sich kurz nach dem Start aus und verbraucht während des Betriebs mehr oder weniger Leistung als erforderlich.

Die Ursache für diese Störungen kann eine zu niedrige oder zu hohe Drehzahl, ein defekter Elektromotor und eine zu hohe oder zu niedrige Viskosität des Arbeitsmediums sein.

Solche Störungen können auch durch unsachgemäß montierte vordere und hintere Lager, die Unzentriertheit der Pumpeneinheit und eine übermäßige Anspannung eines oder beider Dichtungselemente verursacht werden.

Stellen Sie sicher, dass das Arbeitsmedium die erforderliche Viskosität hat, überprüfen Sie den Elektromotor regelmäßig und führen Sie die Schmierung durch.

Achten Sie beim Zusammenbau der Pumpe auf die ordnungsgemäße Lagermontage und stellen Sie sicher, dass die Dichtungselemente richtig angezogen sind.

Überprüfen Sie vor dem Start der Pumpe, ob Pumpe und Elektromotor zentriert sind, und korrigieren Sie dies bei Bedarf.

4) Das Dichtungselement lässt Arbeitsmedium durch.

Leckagen treten in der Regel aufgrund von Beschädigungen der Dichtflächen am Rotations- und Statorring aufgrund von Reibung durch zu viele Partikel im Arbeitsmedium auf den Dichtflächen auf.

Übermäßige axiale Belastung auf den Rotorbaugruppe belastet das Dichtungselement, sodass es undicht wird. Es könnte auch sein, dass der falsche Dichtungstyp ausgewählt wurde.

Stellen Sie sicher, dass ein Filter oder ein Gitter-Sieb in der Saugleitung installiert ist, achten Sie darauf, dass der Pumpendruck aufrechterhalten wird, d. h. die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Arbeitsmediums müssen innerhalb der zulässigen Grenzen liegen, die für jede Pumpe definiert sind. Überprüfen Sie beim Hersteller der Dichtungselemente, ob der richtige Typ für die Betriebsbedingungen ausgewählt wurde.

5) Die Pumpe weist erhöhte Vibrationen auf oder arbeitet sehr laut.

Große Luftansammlungen im Gehäuse können während des Betriebs zu diesem Verhalten führen oder wenn das Saugventil nicht vollständig geöffnet ist.

Dann, wenn der NPSH zu niedrig ist oder die Pumpe den Betriebspunkt nicht erreicht, ist der Rotorzusammenbau unausgeglichen, die Verschleißringe sind beschädigt oder die Lager sind abgenutzt.

Der Klang eines fehlerhaften Lagers ist unregelmäßig und verstärkt sich und ähnelt dem Klang von rollenden Steinen, Kratzen, Quietschen oder Kreischen, der mit zunehmender Drehzahl der Welle zunimmt.

Im täglichen Leben hört man solche Geräusche am häufigsten, wenn an einem Autoreifen ein Lager beschädigt ist.

Die Beseitigung der Ursachen für erhöhte Vibrationen und lauten Pumpenbetrieb beginnt mit der einfachsten Überprüfung: ob das Saugventil vollständig geöffnet ist und die Pumpe vollständig entlüftet ist.

Überprüfen Sie im Benutzerhandbuch, welche NPSH und der Arbeitspunkt der Pumpe erforderlich sind, und ob die Pumpe die angegebenen Bedingungen im aktuellen Zustand erfüllt.

Vibrationsmessungen bestimmen, ob es erforderlich ist, den Rotorzusammenbau auszubalancieren oder ob die Verschleißringe, Zwischenbuchsen und Lager beschädigt sind.

Zwischenbuchsen sind Teile der Pumpe, die dazu dienen, bei axialen Stößen, die durch Rotoren erzeugt werden, das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten.

Die Buchsen gewährleisten die Stabilität, indem sie die auf andere Teile der Pumpe wirkende Kraft reduzieren und die Lebensdauer des Axiallagers verlängern, indem sie die Reibungsreduktion beeinflussen.

Eine beschädigte Zwischenbuchse wird die Dynamik des Rotorzusammenbaus erheblich beeinträchtigen, und sie muss während der Montage der Pumpe ersetzt werden.

Es ist bei jedem Service erforderlich, den Rotorzusammenbau auf einer Auswuchtmaschine und entsprechend den Anforderungen der ISO 21940 Norm auszubalancieren, wie im Bild gezeigt.

Dynamisches Auswuchten des Rotorzusammenbaus einer mehrstufigen Pumpe

Bild: Dynamisches Auswuchten des Rotorzusammenbaus einer mehrstufigen Pumpe (Quelle)

6) Wälzlager überhitzen sich oder verschleißen zu schnell.

Die Unzentriertheit der Pumpeneinheit, falsche Schmierung und unzureichende Schmierung der Lager sowie beschädigte Kupplungen sind größtenteils die Ursache für diese Störung.

Anschließend kommt es zu einem Ungleichgewicht der Rotorbaugruppe und einer übermäßigen axialen Kraft während des Betriebs.

Schmieren Sie die Lager regelmäßig und verwenden Sie ausschließlich die vom Pumpenhersteller empfohlenen Arten von Schmierstoffen, wie in der Tabelle gezeigt, in der in der ersten Spalte Schmierstoffhersteller und in der zweiten Spalte Arten von Schmierölen aufgeführt sind.

Vom Pumpenhersteller empfohlene Schmierstoffe
(Quelle)

Überprüfen Sie, ob der Schmierstoff eine zufriedenstellende Viskosität aufweist.

Bei der Montage neuer Lager verwenden Sie ausschließlich die vom Pumpenhersteller in der technischen Dokumentation angegebenen Lagerarten. Die Installation von Lagern unbekannter Herkunft, von einem unbekannten Hersteller oder Lagern, deren Lagerdauer unbekannt ist, wird dringend nicht empfohlen, da dies zu wiederholten Störungen oder noch schlimmeren Folgen führen wird.

Messen Sie in regelmäßigen Abständen die Vibrationen und notieren Sie die Ergebnisse, die anzeigen, ob es sich um ein Ungleichgewicht handelt und wie viel Zeit bis zum Ausfall der Lager verbleibt.

Falls erforderlich, führen Sie erneut eine Laserausrichtung der Pumpeneinheit durch, wie im Bild gezeigt.

Beispiel für die Laserausrichtung einer mehrstufigen Pumpe
Bild: Beispiel für die Laserausrichtung einer mehrstufigen Pumpe (Quelle)

7) Die Pumpe überhitzt während des Betriebs.

Die Ursache für diese Störung ist die Reibung zwischen Pumpenteilen, die sich gelockert haben, was zu Reibung, Wellenfehlstellung, übermäßig festgezogenen Dichtungen und übermäßiger axialer Kraft auf der Rotorbaugruppe führt.

Montieren Sie bei jedem Service die Maschinenteile ordnungsgemäß und überprüfen Sie den Zustand der Welle auf der Drehbank (wir sagen, dass die Welle auf der Drehbank über die zulässige Grenze hinaus "wirft") oder auf der Auswuchtmaschine.

Vor der Kupplungsmontage überprüfen Sie, ob die Dichtungen ordnungsgemäß angezogen sind, zentrieren Sie die Einheit und stellen Sie nach dem Start sicher, dass die Pumpe Betriebsbedingungen erreicht hat: Druck, Temperatur und Durchfluss.

Die Fehlerdiagnose bei mehrstufigen Pumpen ist im Vergleich zu einstufigen Pumpen komplexer, da mehrere potenzielle Ursachen und ihre Wechselwirkungen berücksichtigt werden müssen.

Oft verursachen in der Praxis mehrere Faktoren gleichzeitig eine bestimmte Störung, daher ist es notwendig, genauer zu untersuchen, worum es geht.

Wenn bestimmte Störungen wiederholt auftreten und vorbeugende Maßnahmen nicht wirken, wird empfohlen, sich an den Pumpenhersteller für zusätzliche technische Beratung zu wenden. Wenn die Pumpe unter Garantie steht, kann ein Werksservice oder ein Austausch angefordert werden.

Die regelmäßige Durchführung von präventiver Wartung unter Anwendung von auf Zuverlässigkeit ausgerichteten Wartungstechniken gewährleistet einen unterbrechungsfreien Betrieb von mehrstufigen Zentrifugalpumpen, verlängert deren Lebensdauer und erhöht die Maschinenzuverlässigkeit.

Katarina Knafelj Jakovac
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27. November 2023

Katarina Knafelj Jakovac ist eine Maschinenbauingenieurin mit langjähriger Berufserfahrung in der Erdölindustrie. Sie ist zertifizierte Führungskraft für die Zuverlässigkeit von Ausrüstungen, spezialisiert auf maschinelle Ausrüstung und operative Exzellenz. Sie ist die Autorin des Blogs Strojarska Radionica (Mechanische Werkstatt), in dem sie ihr berufliches Wissen und persönliche Erfahrungen im Bereich Wartung verschiedener Rotationsmaschinen, Maschinensysteme und Prozessausrüstungen teilt. Sie liebt Mechanik, Wärmelehre und Verbrennungsmotoren. Ihr Engagement gilt der kontinuierlichen Verbesserung der Maschinenwartung und einer qualitätsvollen Verwaltung von Sachanlagen.