Fortschrittliche anti-erosive Beschichtungen für Ventilatoren

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1 Fortschrittliche anti-erosive Beschichtungen für Ventilatoren Dr.-Ing. Dieter Holzdeppe, TLT-Turbo GmbH, Zweibrücken, 2. März 2015 Einleitung TLT-Turbos neue, fortschrittliche Beschichtungen für Ventilatoren werden eingesetzt, um für den aerodynamischen Wirkungsgrad relevante Bauteile, die stark erosiver Strahlpartikelbelastung ausgesetzt sind, gegen vorzeitigen Verschleiß zu schützen. Gegenüber den aktuell im Markt vorhandenen Beschichtungssystemen können die anti-erosiven Wolramcarbid-Komposit-Beschichtungen der TLT- Turbo (TLT-WKBs, wie z.b. TLT-H-101) den längeren Erhalt der wesentlichen aerodynamischen Konturen von Ventilator- Laufschaufeln und -statoren ermöglichen. Dadurch kann der Wirkungsgrad und entsprechend die Antriebsleistung eines Ventilators über einen längeren Betriebszeitraum in der Nähe der geplanten Werte gehalten werden. Darüber hinaus sind diese Beschichtungen erheblich dünner und aerodynamisch glatter als geschweißte Beschichtungen. Schließlich können die TLT-WKBs grundsätzlich die Strukturfestigkeit z.b. von Ventilator-Laufschaufeln für eine vergleichsweise längere Zeit, auch in stark-erosiven Prozessen, sicherstellen. Damit werden die Stillstandzeiten von industriellen Anlagen für Wartung sowie die entsprechenden Service-Kosten reduziert. Strahlverschleiß in Ventilatoren Die Strömung innerhalb von Gasführungen, z.b. in der Zement- und Stahlindustrie und Kraftwerksanlagen, ist typischerweise beladen mit harten und scharfkantigen Stäuben oder Flugaschen (siehe REM-Aufnahme Abb. 1), welche lebenswichtige bzw. leistungs-bestimmende Bauteile von Axial- und Radial-Ventilatoren ggf. in wenigen Monaten verschleißen. 200 µm Abb. 1: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme typischer Braunkohle-Flugaschepartikel Die durch den fortschreitenden Verschleiß hervorgerufenen Geometrie-/Konturänderungen an aerodynamisch und festigkeitstechnisch kritischen Ventilatorbauteilen können eine erhebliche, über die Zeitdauer zunehmende Reduktion des Ventilatorwirkungsgrades zur Folge haben; das führt wiederum zu einer entsprechenden Zunahme des elektrischen Leistungsbedarfs für den Antriebsmotor des Ventilators. Seite 1 von 5

2 Weiterhin fallen - manchmal bereits in kurzer Zeit nach der Inbetriebnahme - infolge extremer Strahlpartikelerosion, die Wandstärken und dadurch die Strukturfestigkeit kritischer Ventilatorkomponenten unter zulässige Grenzen (siehe Abb. 2 und 3). auf der Baustelle oder in der Werkstatt des Ventilatorherstellers werden unumgänglich. Um zumindest eine begrenzte Verlängerung der Betriebszeit zu erreichen, wird die Wandstärke von kritischen Bauteilen erhöht o- der dicke Panzerungen aufgeschweißt (siehe Abb. 4). ca. 8 mm Abb. 2: Zerstörung der Laufschaufel eines industriellen Radial-Ventilators infolge Partikelstrahl-Verschleiß in Nähe einer kritischen Schweißnaht Abb. 4: Geschweißte Panzerung mit typischem Riss Alternativ werden bei Radial-Ventilatoren dicke, schwere und gepanzerte Verschleißschutzplatten im Bereich der größten Strahlverschleißbelastung installiert. Raue Oberflächen reduzieren den Wirkungsgrad Abb. 3: Starke Erosion der Laufschaufel eines Kohlekraftwerk-Axial-Ventilators infolge Partikelstrahl-Verschleiß im Bereich der Laufschaufel-Anströmnase, -Spitze und - Abströmkante (Hinterkante) Daraus resultiert ein vorzeitiger, ungeplanter Stillstand der betroffenen Industrieanlage; zeitaufwendige, kostspielige und im höchsten Maße unerwünschte Reparaturen entweder Geschweißte Panzerungen besitzen typischerweise sehr raue Oberflächen mit zahlreichen, z.t. klaffenden Rissen, die teilweise bis zur Oberfläche des Bauteils oder des Trägerwerkstoffes (Substrates) einer Verschleißschutzplatte vordringen (siehe Abb. 4). Eine raue Panzerung/Beschichtung vermindert den aerodynamischen Wirkungsgrad des Ventilators. Die Risse provozieren ihrerseits einen extremen lokalen Partikelstrahlverschleiß und ermöglichen korrosiven Medien den direkten, unbehinderten Zugang zur Oberfläche von Ventilatorbauteilen bzw. Substraten der Seite 2 von 5

3 Verschleißschutzplatten. Dementsprechend entwickelt sich eine zunehmende Korrosion des betroffenen Substrats, eine Unterwanderung der Beschichtung mit entsprechender Blasenbildung und schließlich stückweises Abplatzen. Das lokale Abplatzen der Beschichtung öffnet nicht nur Fenster zur ungeschützten Oberfläche für weiteren korrosiven Angriff sondern auch für lokalen, besonders starken Partikelstrahlverschleiß. Diese sich überlagernden Vorgänge beschleunigen den Verschleiß von Schutzbeschichtungen. Zusätzlich erhöht sich das Risiko verstärkter Anbackung von Stäuben, was wiederum zur Verringerung des aerodynamischen Wirkungsgrades führt. Ein Säubern solcher Bauteile vor Ort wird damit ebenfalls erschwert. Ferner führt insbesondere der Einsatz der Verschleißbleche zur signifikanten Erhöhung des Gewichtes von Ventilatorbauteilen. Für die Laufräder von Radial-Ventilatoren kann das eine Gewichtszunahme von bis zu 30 % zur Folge haben. Dementsprechend werden Lager und Antriebswellen größer und schwerer, mit entsprechenden Auswirkungen auf die Kosten. TLT-Turbos neue Beschichtungen Um die Gewichtszunahme strahlverschleiß-geschützter Ventilatoren zu begrenzen, hat TLT- Turbo umfangreiche F&E-Anstrengungen bezüglich dünner, anti-erosiver Beschichtungen unternommen. Dabei ist es gelungen, die spezifischen Strahlverschleißraten erheblich zu reduzieren (siehe Abb. 6). ca. 8 mm Abb. 5: TLT-Turbos aerodynamisch glatte Wolframcarbid-Komposit-Beschichtung TLT-H-101 auf einer Radial- Ventilator-Laufschaufel (vergleiche Abb. 4) Neben der Gewichtsreduktion weist TLT- Turbos neue, gespritzte Wolframcarbid-Komposit-Beschichtung, TLT-H-101, eine hydraulisch glatte Oberfläche für hervorragende aerodynamische Effizienz auf (siehe Abb. 5). Diese Beschichtung ist frei von sichtbaren Rissen, besitzt eine besonders geringe Porosität und ist damit vor korrosiver Unterwanderung geschützt. Schließlich kann angenommen werden, dass die glatte Oberfläche das Risiko von Staubanbackungen minimiert, diese Oberflächen relativ leicht zu reinigen sind und die aerodynamische Effizienz auf hohem Niveau erhalten bleibt. Die Wolframcarbid-Beschichtung TLT-H-101 Die TLT-WKB - TLT-H basiert auf einem Wolframcarbid-Pulver mit einigen speziellen Zusätzen; es wird mit Hilfe eines Hoch-Geschwindigkeits- und Heißgas-Spritzverfahrens (HVOF-Prozess) auf die Ventilatorbauteile aufgetragen. Die offensichtliche Verbesserung des Widerstandes gegen Strahlpartikelverschleiß, Seite 3 von 5

4 selbst gegenüber einer Wolframcarbid-Bench Mark-Beschichtung (siehe Abb. 6), resultiert nicht nur aus der speziellen Zusammenstellung der Werkstoffe in der Beschichtung sondern auch aus der besonders hohen HVOF- Spritzgeschwindigkeit (Mach-Zahl >>1). Abb. 6: Relative Erosionsrate ER R der TLT-WKB, TLT-H- 101 (= TCC-101), als Funktion des Partikel-Anstrahlwinkels (= Impingement Angle), im Vergleich zu Standardbeschichtungen und einigen Ventilatorwerkstoffen Die in der Abbildung 6 gezeigten Messergebnisse basieren auf Strahlverschleißversuchen mit Standard-Strahlpartikel in TLT-Turbos Strahlverschleißprüfstand. Die Durchmesser der Partikel sind im Bereich 30 µm bis 300 µm statistisch verteilt, mit dem Maximum bei 200 µm. Die Strömungsgeschwindigkeit im Versuch beträgt 160 m/s, was typischen Geschwindigkeiten z.b. an den Blattspitzen von Axial-Ventilator-Laufschaufeln oder Laufradschaufeln von Radial-Ventilatoren entspricht. Die relative volumetrische Verschleißrate in Abb. 6 ist bezogen auf das Maximum des volumetrischen Verschleißes der am Markt erhältlichen Bench Mark für HVOF-gespritzte, Wolframcarbid-Komposit-Beschichtungen und über dem Anstrahlwinkel des Partikelstrahls bezüglich der Versuchsplattenoberfläche aufgetragen. Analysiert man in Abb. 6 die Messergebnisse im Anstrahlwinkelbereich von 0 bis 60, dann beträgt die Verschleißrate der Beschichtung TLT-H-101 weniger als ca. die Hälfte der Verschleißrate der Bench Mark-Beschichtung und nur etwa 1/6 einer typischen, geschweißten Panzerung. An dieser Stelle sei angemerkt, dass in diesem Winkelbereich der Abrasionsprozess an den Oberflächen von Ventilatorbauteilen durch Mikro-Furchen und Mikro-Spanen bestimmt wird. Innerhalb des Anstrahlwinkelbereiches von 60 bis 90, in dem der Erosionsprozess durch Mikro-Ermüden und Mikro-Brechen charakterisiert wird, zeigt die TLT-H-101-Beschichtung weniger als die Hälfte der Erosionsrate der Bench Mark-Beschichtung und nur etwa 1/8 einer typischen, geschweißten Panzerung. Im Sinne der Vollständigkeit wird die relative volumetrische Verschleißrate der TLT-H- 101-Beschichtung zusätzlich mit den Werten für einen Standard-Feinkornbaustahl sowie einem typischen Sphäroguss für Ventilator-Laufschaufel verglichen (siehe Abb. 6). Im Anstrahlwinkelbereich von ca. 90 zeigt die TLT- H-101-Beschichtung weniger als die Hälfte der Erosionsrate des Feinkornbaustahls, im Bereich von ca. 20 nur noch ca. 1/10. Zusammenfassung TLT-Turbo hat eine fortschrittliche Anti-Erosions-Beschichtung, TLT-H-101, entwickelt, um die Betriebszeit von schweren Industrieventilatoren (Abb. 7) in partikel-beladenen Strömungsprozessen, z.b. der Zement- und Stahlindustrie sowie in Kohle-Kraftwerksanlagen, zu verlängern. Diese neue Wolframcarbid-Komposit-Beschichtung der TLT-Turbo zeigt im Vergleich Seite 4 von 5

5 mit den derzeit am Markt erhältlichen, geschweißten Panzerungen oder auch mit der heißgas-gespritzten Wolfram-carbid- Bench Mark-Beschichtung eine deutlich geringere Erosionsrate. Die TLT-H-101 -Beschichtung ist dünn, wird direkt auf die kritischen Ventilatorbauteile bzw. auf relativ leicht austauschbare, entsprechend den jeweiligen Kundenanforderungen optimierte Komponenten gespritzt. Darüber hinaus ist die Oberfläche dieser Beschichtung aerodynamisch glatt; daraus resultieren Vorteile wie z.b. betriebszeitliche Wirkungsgradstabilität und verbesserte Reinigungsmöglichkeiten. Im Vergleich zu bisherigen Ventilatoren ermöglichen diese herausragenden Beschichtungsmerkmale die Konstruktion fortschrittlicher und leichter strahlverschleiß-beständiger Ventilatoren. Diese Ventilatoren sind grundsätzlich dafür ausgelegt, die Betriebslaufzeiten möglichst zu verlängern, den Antriebsleistungsbedarf während der Betriebszeit niedrig zu halten und die Stillstandzeiten für Wartungsarbeiten, die durch Partikelstrahlverschleiß hervorgerufen werden, zu verringern. Abb. 7: Typischer Axial- und Radial-Ventilator der TLT- Turbo GmbH für harten industriellen Einsatz Die Entwicklung der fortschrittlichen Beschichtung TLT-H-101 ist mehr als nur ein Anfang: Sie ist Grundlage für eine zukünftige Familie von TLT-Turbo-Beschichtungen, die jeweils gezielt auf die spezifischen Kundenanforderungen zugeschnitten sein werden. Seite 5 von 5