| von Jörg Kortstock

Eine der häufigeren Ursachen eines ungeplanten Anlagenstillstands kann der Ausfall einer Pumpe sein, da diese als rotierende Maschinen einem vergleichsweise hohen Verschleiß ausgesetzt sind. Daher ist eine Instandhaltungsstrategie nötig, um ungeplante Stillstände zu verringeren. Es gibt verschiedene Instandhaltungsstrategien, beispielsweise die Wartung nach einem festgelegten Zeitplan durchzuführen. Jedoch nutz diese Methode die Laufzeit der Pumpe nicht optimal aus. Eine andere Strategie ist es, die Pumpen bis zum Ausfall zu betreiben. Dies bedeutet aber meist Totalschäden oder teure Folgeschäden bei den Pumpen und umfasst damit an kritischen Plätzen eine redundante Pumpenvorhaltung.

In beiden Fällen würde das Überwachen zur zustandsabhängigen Instandhaltung die Wirtschaftlichkeit der Anlage und der Pumpe erhöhen. Des Weiteren würde eine Online-Kontrolle ebenfalls den Prozess überwachen und Optimierungspotenziale aufzeigen. Denn nur wenn Pumpen bestimmungsgemäß betrieben werden, lassen sie sich wirtschaftlich optimal einsetzen. Diese Methode bedingt allerdings die Investition in Zustands-Überwachungssysteme sowie deren Implementierung in ein Prozessleitsystem. Die Entscheidung über die Sinnhaftigkeit einer solchen Investition hängt oftmals aber nicht nur vom Vermeiden des ungeplanten Anlagenausfalls ab, sondern auch von einem wirtschaftlichen Verhältnis zu den Investitionskosten für die Pumpe.

Einfache Montage zum Überwachen

Der Zustandsüberwachungssensor Sihidetect für Pumpen reduziert diese Kosten und steht auch bei kleineren Standardpumpen in einem wirtschaftlich sinnvollen Verhältnis. Der Sensor lässt sich für alle rotierenden Flüssigkeits- und Vakuumpumpen herstellerunabhängig verwenden. Dies ermöglicht, viele Pumpen zu überwachen, bei denen bisher aus Kostengründen auf die Installation von Online-Zustandsüberwachungssystemen oder -komponenten verzichtet wurde. Darüber hinaus lässt sich der Sensor auch an anderen rotierenden Maschinen wie Lüftern oder Elektromotoren einsetzen.

Damit sich der Sensor leicht an der Pumpe montieren lässt, stand bei der Entwicklung das Prinzip der Schwingungsmessung im Fokus. Ist eine Gewindebohrung (M8) vorhanden, lässt sich diese nutzen, ansonsten lässt sich der Sensor mit dem im Lieferumfang enthaltenen Klebeadapter befestigen. Der Sensor misst die Schwinggeschwindigkeit von 10?Hz bis 1?kHz in Anlehnung an die DIN/ISO 10816 im Rahmen der vorbeugenden Instandhaltung. Zusätzlich misst er die Schwingbeschleunigung im Bereich von 10?Hz bis 5,6?kHz. Die im Sensor integrierte Mikroprozessor-Technologie berechnet permanent über die Fast-Fourier-Analyse das Frequenzspektrum der Beschleunigung und teilt es in 29 Terz-Frequenzbänder auf. Die Effektivwerte der einzelnen Terz-Frequenzbänder werden mit den vorab im Normalbetrieb kalibrierten Grenzwerten verglichen. Wird nun aufgrund eines unzulässigen Betriebszustandes ein Grenzwert in einem bestimmten Terz-Frequenzband überschritten, wird dieses als Alarm angezeigt. Verschiedene unzulässige Betriebszustände lassen sich so anzeigen und mithilfe der Terz-Frequenzbänder analysieren: Lagerverschleiß, Laufrad- und Kupplungsverschleiß, Magnetkupplungsabriß, lose Bauteile, mechanisches Anlaufen, Unwucht, Fehlausrichtung und Rohrleitungsverspannung, hydraulische Überlast und Kavitation.

Vor Ort an der Pumpe kann der Bediener den aktuellen Betriebszustand über eine LED-Anzeige (grün, gelb, rot) am Sensor ablesen. Für das Einbinden in die Prozessleittechnik erfolgt der Anschluss des Sensors direkt über die 4-bis-20-mA-Stromschnittstelle. Mit dieser Standardschnittstelle ist es möglich, den Trend der Schwinggeschwindigkeit und die Alarmmeldung ‚unzulässiger Betriebszustand‘ zu übertragen. Das Bedienpersonal wird so einfach über den aktuellen Betriebszustand der Pumpe informiert und kann weitere Maßnahmen einleiten.

Über ein Hart-Modem lassen sich weitere Informationen an einen PC übertragen und über die hierfür entwickelte Software Vibrosoft lässt sich eine umfassende Analyse der Schwingungsdaten durchführen. Von der Konfigurierung über Datenaufzeichnung und Datenauswertung bis zur Fehleranalyse werden alle wichtigen Informationen transparent gemacht. Mit der EDD (Electronic Device Description) für die Prozessleitsysteme Siemens oder Emerson und DTM (Device Type Manager) für FDT-Rahmenapplikationen für beispielsweise Pactware, Fieldcare von Endress+Hauser oder Smartvision von ABB lassen sich die kompletten Daten des Sensors bis zur Prozessleitebene übertragen. Mit dieser Anbindung stehen die gleichen Funktionen zur Analyse der Schwingungsdaten wie bei der zugehörigen

Software zur Verfügung. Somit ist es auch möglich, viele Sensoren mit einer zentralen Bedienstation über die Hart-Kommunikation zu betreiben. Da der Sensor eine Standardschnittstelle verwendet, ist das Einbinden in nahezu jede Anlagenphilosophie möglich – sei es über Bündelung vieler Sensoren über Remote-I/Os oder durch den Einsatz von Wireless-Hart-Adaptern, um den Verkabelungsaufwand zu verringeren.

Unzulässige Zustände früh erkennen

Neben der Erkennung von Lager- oder Kupplungsverschleiß und dessen Auswirkungen ist es auch wichtig, unzulässigen Betriebszustände frühzeitig zu detektieren, die nicht unmittelbar zu einem Ausfall führen. Kavitation zum Beispiel führt nicht zum kurzfristigen Ausfall der Pumpe durch direkte Wirkung auf das Laufrad, sondern kann zu Folgeschäden in der Lagerung und der Wellendichtung führen. Darüber hinaus ermöglicht die Detektion solcher unzulässigen Betriebszustände auch eine Prozessoptimierung. Ein Beispiel: In einem Chemieunternehmen wurde eine Kreiselpumpe durch mehrfache Gleitringdichtungsschäden (rund vier Mal pro Jahr) auffällig. Änderungen der Materialpaarungen der Gleitringdichtung führten zu keiner Lösung des Problems. Auch nähere Betrachtungen des Systems brachten keine Hinweise über die Ursache. Durch den Einsatz des Sensors und die Einbindung in die Prozessleittechnik stellte das Unternehmen fest, dass es die Pumpe zyklisch in Kavitation betrieben hat. Dieser Kavitationsbetrieb führte dazu, dass die Gleitringdichtung Schaden nahm. Da die Alarmmeldung direkt an die Prozessleittechnik übertragen wird und dort mit anderen Prozessdaten ausgewertet werden kann, ließ sich schnell die Ursache für die unzulässige Kavitation lokalisieren und beseitigen. Jetzt läuft die Pumpe seit über einem Jahr störungsfrei.

In einem anderen Anwendungsfall trat eine stark verkürzte Lebensdauer der Wellendichtung auf, die sich durch die Betriebsbedingungen selbst nicht erklären ließ. Hier ließ sich durch die Analyse der Daten ein signifikantes Schwingungsbild der Verspannung erkennen. Da auch die Medientemperaturen zur Verfügung standen, stellte der Betreiber fest, dass diese stark schwankten und so zu temporären Rohrleitungsverspannungen führten, die durch die Aufstellung der Pumpe nicht abgefangen werden konnten. Diese durch die Verspannung verursachte übermäßige Wellendurchbiegung der Pumpe wiederum führte zu Gleitring-Dichtungsschäden. Änderungen in der Rohrleitung lösten das Problem. Seitdem ist die Pumpe ebenfalls störungsfrei in Betrieb.

Bei einem Spezialchemieunternehmen in Deutschland sind mehrere Gliedergehäusepumpen installiert. Der Betreiber war an der Installation einer Zustandsüberwachung interessiert, da es von Zeit zu Zeit zu Lagerausfällen kam, die ungeplante Reparaturmaßnahmen nach sich zogen. Er hat eine Pumpe mit dem Zustandsüberwachungssensor ausgerüstet und sechs Monate nach Installation und Inbetriebnahme ist es zu Alarmmeldungen durch den Sensor gekommen – obwohl die Pumpeninstallation keine signifikanten Auffälligkeiten zeigte. Nichtsdestotrotz wurde die Pumpe außer Betrieb genommen, um die Ursache hierfür herauszufinden. Der Fehlerspeicher wurde zur Analyse aus dem Gerät heruntergeladen: Die Frequenzen, in denen sich Überschreitungen der Alarmgrenzen zeigten, deuteten auf Kupplungsverschleiß und mechanisches Anlaufen der Pumpenlaufräder. Bei der Demontage der Pumpe zeigte sich, dass sich die Wellenmutter gelöst hatte und die Kupplungsgummis schadhaft waren. Ohne die Schwingungsüberwachung wäre es zu einem massiven Schaden und zum ungeplanten Stillstand gekommen. Dies überzeugte den Anwender, sodass inzwischen weitere Pumpen mit dem Sensor ausgerüstet sind.

 

Jörg Kortstock

: Produktmanager bei der Sterling Sihi GmbH in Itzehoe

(mf)

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