Nachrüstung von API 610 Vintage-Pumpen der 5. Edition, um die in der 12. Edition festgelegten Kriterien zu erfüllen

Die Pacific JTC-Pumpe. (Bildquelle: Sulzer AG)

Während Pumpenkonstrukteure bei der Entwicklung von Pumpen weitgehend freie Hand haben, müssen einige Konstruktionsmerkmale für den petrochemischen Markt die Anforderungen von API 610 erfüllen. In den letzten 30 Jahren hat sich API 610 von der 5. Ausgabe zur 12. Ausgabe weiterentwickelt. Sulzer verfügt sowohl über das Fachwissen als auch über die technischen Einrichtungen, um diese Vintage-Pumpen zu ihrem vor vielen Jahren für API 610 5TH Edition entwickelten Servicecenter zu bringen und sie als API 610 12TH Edition an den Kunden zurückzusenden.

Manuel Monroy, Field Engineer bei Sulzer, erläutert am Beispiel der mehrstufigen Kreiselpumpe Pacific JTC eine Reihe umsetzbarer Verbesserungen.

Die dynamischen Herausforderungen in der Öl- und Gasindustrie führen zu einem ständigen Bedarf an innovativen Lösungen, die längere, störungsfreie Betriebsintervalle ermöglichen. Pumpen, die vor vielen Jahren für einen bestimmten Einsatzzweck entwickelt wurden, funktionieren heute möglicherweise nicht mehr unter den Bedingungen, für die sie konzipiert wurden. Bei Sulzer besteht die Einstellung darin, Reparaturlösungen für die Ausrüstung der Kunden mit den neuesten in der Branche verfügbaren Upgrades anzubieten, die die Zuverlässigkeit und Effizienz verbessern.

Von 1958 bis 1989 wurde die mehrstufige Diffusorpumpe Pacific JTC in der Erdölindustrie sowie in der fossilen und nuklearen Energieindustrie eingeführt.

Die JTC ist eine horizontale Diffusorpumpe mit geteiltem Gehäuse und einer Rücken-an-Rücken-Laufradkonfiguration. Bei den meisten Split-Case-Pumpen handelt es sich um Spiralpumpen mit in die Gehäusehälften eingegossenen Hydraulikkanälen. Das Gehäuse des JTC ist viel einfacher aufgebaut, siehe Bild 1 unten. Das Gehäuse hat einen Hauptdurchmesser, der alle Zwischenabdeckungen radial anordnet. Die Zwischendeckel, die an ihrem Außendurchmesser mit dem Gehäuse abgedichtet sind, um Leckagen zwischen den Stufen zu verhindern, enthalten den Diffusor und die Rückführungsleitschaufeln und transportieren die Flüssigkeit vom Auslass eines Laufrads zum Einlass des nächsten Laufrads. Das Schraubenmuster, mit dem die beiden Hälften miteinander verschraubt werden, muss sich nicht um spiralförmige Durchgänge winden, was es einfacher macht, eine gleichmäßige Belastung der für Dichtungszwecke erforderlichen Trennlinie zu erreichen.

Andere Pumpen mit ähnlichem Design sind die IR CNTA, die IR HMTA und die Worthington WT. Die JTC- und CNTA-Pumpen sind mit entgegengesetzten Laufrädern ausgestattet, während die IR HMTA- und Worthington WT-Pumpen mit Tandem-Laufrädern ausgestattet sind. Die entgegengesetzte Laufradkonfiguration beim JTC und CNTA gleicht den von den Laufrädern erzeugten Axialschub aus. Tandem-Laufradkonfigurationen erzeugen einen sehr hohen Innenschub, der Ausgleich dieses Schubs erfordert im Vergleich zur Konstruktion mit entgegengesetzten Laufrädern eine tiefergehende Konstruktion.

Die meisten Pumpen, die vor vielen Jahren ausgeliefert wurden, wurden mit Packungsdichtungen geliefert. Der JTC hat einen kleinen Wellendurchmesser und die Stopfbuchspackung ist entscheidend. Es dient nicht nur dazu, das Produkt davor zu schützen, in die Atmosphäre zu gelangen, sondern es dient auch als Lager und unterstützt so sowohl die Mittel- als auch die Drosselbuchsen bei der Aufrechterhaltung der Rotorstabilität während des Betriebs. Die Verwendung einer Stopfbuchspackung zum Abdichten der Stopfbuchse der Pumpe erfordert oft eine Anpassung vor Ort, was für viele Bediener ein anhaltendes Wartungsproblem darstellt.

Die Einführung der Gleitringdichtung und ihrer überlegenen Dichtungstechnologie erhöhte die Nachfrage nach Aftermarket-Upgrades, die den Weg für nachgerüstete Pumpen und neue Industriestandards ebneten.

Nachgerüstete JTC-Pumpen sind heute üblicherweise mit Gleitringdichtungen ausgestattet, die diffuse Emissionen verhindern. Ein wesentlicher Treiber hierfür war die Veröffentlichung der 7. Ausgabe von API-610, die die Anforderungen an Gleitringdichtungen und Stopfbuchsen standardisierte. Allerdings verlief die Umrüstung bestehender Pumpen mit Stopfbuchspackungen auf Gleitringdichtungen nicht ohne Probleme. Durch die Hinzufügung von Gleitringdichtungen, die auf einer schlanken Welle montiert sind, änderte sich das dynamische Verhalten des Pumpenrotors. Diese Änderung führte zu einem beschleunigten Verschleiß der engen Laufspiele, einer Zunahme der Vibrationen und einer weiteren Öffnung der Spiele. Der Teufelskreis setzte sich fort, bis die Pumpe ihre Funktion sowohl mechanisch aufgrund hoher Vibrationen als auch hydraulisch aufgrund interner Undichtigkeiten nicht mehr erfüllen konnte . Die Änderung des dynamischen Verhaltens des Rotors führte zur Entwicklung innovativer Lösungen zur Aufrechterhaltung und Verlängerung der mittleren Reparaturzeit (MTBR) der JTC-Pumpe.

Kürzlich nutzte ein Chemiewerk in Pasadena, Texas, während einer routinemäßigen Revision die Gelegenheit, seine JTC-Pumpen zu überholen, um die Lebensdauer von Lagern und Dichtungen zu verbessern. Das Houston Service Center von Sulzer bot technische Unterstützung und Reparaturlösungen zur Erhöhung der MTBR. Bei der Pumpe handelte es sich um eine typische JTC-Kleinwellenkonstruktion mit Gleitringdichtungen, die ursprünglich für Packungen konzipiert war.

Die vom Kunden gelieferten JTC-Pumpen kamen mit erheblichen Schäden im Servicecenter an. Der Kunde stellte fest, dass bei den Pumpen ständig Dichtungs- und Lagerausfälle auftraten. Am Innendurchmesser des Gehäuses wurde eine übermäßige Auswaschung festgestellt, wo ein O-Ring für die Abdichtung zwischen den Zwischendeckeln und dem Gehäusedurchmesser sorgte. Das Qualitätsteam (QA) von Sulzer stellte außerdem fest, dass die Ebenheit der Gehäusetrennlinie außerhalb der Toleranz lag. An den Verschleißkomponenten des Rotors wurde im Laufe der Jahre ein typischer Verschleiß festgestellt.

Um die Erwartungen des Kunden zu erfüllen, übernahm das Ingenieurteam des Sulzer-Servicecenters in Houston die Aufgabe, eine Lösung zur Erhöhung der MTBR ihrer vorhandenen Pumpe bereitzustellen. Ausgestattet mit hochmodernen dreidimensionalen Laserscannern und API-erfahrenen Ingenieuren begann das Servicecenter mit einem vollständigen Reverse Engineering der ursprünglichen JTC-Pumpe. Nach einer Designprüfung wurde ein Vorschlag zur Reparatur und Nachrüstung der Pumpe erstellt und dem Kunden vorgelegt.

Sulzer verfolgte zwei Hauptziele: die Reparatur des Gehäuseschadens gemäß den ursprünglichen Konstruktionsstandards und die Bereitstellung einer Lösung zur Beseitigung des beschleunigten Verschleißes der eng laufenden Innenspiele.

Gehäusereparatur Um die inneren Passungen eines Pumpengehäuses wiederherzustellen und sie wieder auf die Originalherstellertoleranzen (OEM) zu bringen, wird in der Industrie das Aufbohren solcher Passungen praktiziert. Beim Bohren eines Pumpengehäuses ist die Ausrichtung des Pumpengehäuses auf seine Mittellinie der wichtigste Schritt im Bearbeitungsprozess und in der gesamten Reparatur. Es war wichtig, eine Strategie zu entwickeln und den geeigneten Reparaturprozess richtig zu konzipieren und durchzuführen, der die Wiederherstellung der kritischen Gehäusepassungen der Pumpe ermöglichen würde.

Das gestapelte Diffusordesign des JTC erforderte eine Mehrpunktprüfung aller internen Passflächen, um sicherzustellen, dass Parallelität und Konzentrizität den Sulzer-Standards entsprachen. Um Unrundheit außerhalb der Toleranz zu korrigieren, hat Sulzer Spezialwerkzeuge entwickelt und hergestellt, um übermäßige Unrundheit an kritischen Passflächen korrekt zu korrigieren.

Um die am Pumpengehäuse festgestellten Auswaschungen und Unrundheiten zu beseitigen, wurde es mehreren Bearbeitungsphasen unterzogen. Die Gehäusetrennlinie wurde auf einem Hobelwerk von Sulzer gehobelt. Die Gehäusebohrungspassungen wurden ebenfalls auf die erforderlichen Abmessungen bearbeitet, wobei enge Toleranzen und Konzentrizität zur Gehäusetrennlinie gewahrt blieben. Schließlich wurden die Innenwände des Gehäuses bearbeitet, wobei die Gehäusehälften angezogen wurden, um die Parallelität zwischen beiden Innenwänden sicherzustellen, die das Innenelement im Abstand von 40 Zoll axial positionieren.

Rotor-UpgradeBei der Behebung des beschleunigten Verschleißes in den engen Laufspalten der JTC-Pumpe gibt es zwei typische Verbesserungsmöglichkeiten.

Bei dieser Gelegenheit verwendete Sulzer nichtmetallische Materialien für alle stationären Verschleißkomponenten wie Augen- und Nabenringe, Drosselbuchse und Mittelbuchse. Die ausgeprägte Druckverteilung an den Drosselbuchsen und der Mittelbuchse erforderte zusätzliche Konstruktionsberechnungen und führte letztendlich zur Implementierung des perforierten Einsatzes (Perf-Seal)-Designs, wie in Bild 2 gezeigt. Ein Perf-Seal-Einsatz verfügt über radial gebohrte Löcher im gesamten nichtmetallischen Teil Diese verhindern, dass der Differenzdruck den Einsatz aus dem Metallhalter herausdrückt.

Nichtmetallische Verbundwerkstoffe halten Temperaturen von bis zu 260 °C stand. Sie werden in der Pumpenindustrie häufig für Verschleißringkomponenten, Buchsen und Einsätze verwendet. Der Hauptvorteil dieser Verbundwerkstoffe ist die Fähigkeit, gelegentlichem Trockenlauf standzuhalten. Bei einem Pumpenausfall werden die nichtmetallischen Ringe zu Opferteilen, alle anderen Komponenten können repariert und wiederverwendet werden. Die Verbundwerkstoffe ermöglichen außerdem geringere Laufspiele, was zu einer verbesserten Steifigkeit und Dämpfung entlang der Länge des Rotors führt, was die Rotorstabilität verbessert und die Pumpeneffizienz erhöht. Dabei ist zu beachten, dass Zuverlässigkeit der Hauptgrund für die Umstellung auf die nichtmetallischen Ringe ist, Effizienz zweitrangig.

Nachdem das Gehäuse vollständig restauriert und im Servicecenter mit neuen Verschleißteilen bearbeitet worden war, war die Pumpe bereit für den Zusammenbau. Die Laufräder wurden einzeln ausgewuchtet und der zusammengebaute Rotor kontrolliert ausgewuchtet. Die lockere Konstruktionspassung zwischen den Laufrädern und der Welle erforderte eine kritische Rundlaufprüfung während der Montage. Schließlich wurden beim Stapeln der Rotoren alle Laufräder und Diffusoren auf ihre entsprechende Betriebsposition eingestellt, um sicherzustellen, dass die hydraulischen Durchgänge der Laufräder und Diffusoren richtig ausgerichtet waren.

Weitere Upgrades verfügbar Aus Zeitgründen konnte die Umrüstung des Rotors von der Hülsen- auf die Spaltringkonstruktion nicht durchgeführt werden. Es ist bekannt, dass die bestehende Distanzhülsenkonstruktion mit zwei Sicherungsmuttern an jedem Ende, die den Rotor miteinander verbinden sollen, sowohl beim Zusammenbau als auch während des Betriebs zu Rundlaufproblemen führt. Der Rotor kann weiter zu einem Rotor mit geteiltem Ring aufgerüstet werden. Dadurch entfallen Distanzhülsen zwischen den Laufrädern und die Laufradschubkraft jeder einzelnen Stufe kann über den Spaltring auf die Pumpenwelle übertragen werden. Durch den Wegfall der Distanzhülsen kann der Wellendurchmesser durch den Laufradabschnitt der Pumpenwelle in manchen Fällen um 0,5 bis 0,75 Zoll (12 bis 19 mm) vergrößert werden. Dies ermöglicht auch eine Presspassung zwischen der Welle und dem Laufrad, wodurch Unrundheit an den Laufrad-Verschleißflächen reduziert wird und eine Auswuchtung nach wesentlich strengeren Auswuchtkriterien ermöglicht wird. Wenn die Pumpe auf diese Weise aufgerüstet wird, kann sie die Vibrationsanforderungen der neuesten API 610-Standards erfüllen.

Wenn die Laufräder schweißbar sind, können hintere Naben an die vorhandenen Laufräder geschweißt werden, sodass die vorhandenen Laufräder wiederverwendet werden können. Wenn die Originallaufräder aus Gusseisen sind, müssen sie ersetzt werden.

Für Komponenten mit komplexer Geometrie, wie Laufräder und Gehäusediffusoren, nutzte Sulzer Crea Form-Scanner, um eine schnelle 3D-Modellierung der vom Kunden bereitgestellten Ausrüstung zu ermöglichen. Der 3D-Scanner ist ein leistungsstarkes Werkzeug, das in der Industrie weit verbreitet ist, um die Herstellung von Gussbauteilen ordnungsgemäß zu ermöglichen. Dies ermöglicht Sulzer die Bereitstellung von Ersatzlaufrädern, die den bestehenden Hydraulik- und Bauraumanforderungen entsprechen. Bei Änderungen der Pumpenleistung kann die Sulzer-Technik vorhandene Leistungsdaten analysieren und die hydraulischen Komponenten entsprechend an neue Prozessbedingungen anpassen. Bei zeitlich begrenzten Turnarounds, bei denen die Anforderung eines neuen Rotors nicht möglich ist, kann Sulzer Engineering eine mechanische Überprüfung des vorhandenen Rotors durchführen und Sie über notwendige Rotoränderungen beraten, die zur Verbesserung der Lagerlebensdauer und der Rotorstabilität erforderlich sind.

Zentrierscheibe Das ursprüngliche Rotordesign der JTC umfasst eine Zentrierscheibe, die dafür sorgt, dass der Rotor fest im Pumpengehäuse sitzt, indem die Mittelstufengehäuse entsprechend ausgerichtet werden. Der Nachteil einer zentrierenden Unterlegscheibe in der Mitte des Rotors besteht darin, dass die Hälfte des Rotors zerlegt werden muss, um die Unterlegscheibe richtig einzustellen, falls der Rotor nicht mit dem richtigen Axialspiel in das Gehäuse passt. Sehen Sie sich dazu ein detailliertes Beispiel für die Rotormontage an Bild 3. Es ist ein Upgrade verfügbar, bei dem die mittleren Unterlegscheiben entfernt und an die Vorderseite des Diffusors der 1. Stufe verschoben werden. Durch die Bereitstellung einer laminierten Unterlegscheibe können schnelle Anpassungen der axialen Länge des Rotors für die Endmontage vorgenommen werden. Dieses Upgrade ist ideal für den schnellen Bundle-Austausch und hat das Potenzial, die Vorlaufzeit bei Reparaturen zu verkürzen.

Lager- und Dichtungsmodifikationen Um die Lagerlebensdauer zu verlängern, können Lagergehäuse-Upgrades auch durch Nachrüstung der vorhandenen Gusseisengehäuse mit Sulzer-Lagergehäusen mit Kugel-Kugel- oder Kugel-Hülsen-Anordnung aus Kohlenstoffstahl erreicht werden. Diese sind mit integrierten Rippen ausgestattet, die die Wärme ableiten, und können mit einer Vielzahl von Instrumentierungsanschlüssen wie Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs), Lagerkühlern und Vibrationssonden ausgestattet werden.

In einigen Fällen können neue luftgekühlte Lagergehäuse den Ausbau vorhandener wassergekühlter Gehäuse und der zugehörigen Rohrleitungen ermöglichen.

Mit den Lagergehäusebaugruppen von Sulzer können die Lagergrößen für Kugel-Kugel-Anordnungen vergrößert oder Gleitlager mit kürzerem Längen-/Durchmesserverhältnis (L/D) für Hülsen-Kugel-Anordnungen implementiert werden. Die Gehäuse sind außerdem mit Inpro-Isolatoren ausgestattet, um das Gehäuseinnere vor Verunreinigungen zu schützen. Ingenieure können die passenden Flansche des Lagergehäuses individuell entwerfen, um sie an das aktuelle Schraubenmuster des Pumpengehäuses anzupassen und Nacharbeiten am Gehäuse zu minimieren.

Neue Standards erfüllen Die petrochemische Industrie verfügt über eine breite Palette von Split-Case-Diffusorpumpen ähnlich der JTC, wie IR CNTA, IR HMTA und Worthington WT. Obwohl die Rotorkonfigurationen zwischen ihnen variieren, bleiben viele der Zuverlässigkeitsherausforderungen bei diesen Produktlinien gleich. Anstatt eine veraltete Diffusorpumpe mit geteiltem Gehäuse zu verschrotten, können einige der oben beschriebenen JTC-Upgrades die praktische Lösung sein, um die Pumpenleistung wiederherzustellen und zu verbessern und gleichzeitig auf APIs 610 12. Edition aufzurüsten und letztendlich die MTBR zu erhöhen.

Das Ziel von Sulzer besteht darin, durch Engineering und eigene Fertigung Lösungen für die Pumpenzuverlässigkeit bereitzustellen. Sulzer ist stolz darauf, Pumpenreparaturen und Nachrüstungen für alle Arten von Pumpen (Sulzer- und Nicht-Sulzer-Pumpen) anzubieten und stellt sich der Herausforderung, die Ausrüstung der Kunden so aufzurüsten, dass sie den neuen Industriestandards entspricht.

Quelle: Sulzer Ltd.