Verschleiß an Hochdruckteilen

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1 Verschleiß an Hochdruckteilen Dr. rer. nat. Dr. sc. techn. Hans-G. Weide Dipl.-Ing. (TU) Renè Kikels Ing.-Chem. Georg Hänisch EKOWA GMBH

2 Auswahl der Hochdruckteile Schnelldrehende Rotations-Hochdruckpumpen - OMAX / U/min - Hammelmannn / 1800 U/min Ventile und Ventilsitze Zylinderinnenoberfläche Druckübersetzer - BHDT - Uhde Ventile und Ventilsitze Zylinderinnenoberfläche Wasserdüsen Schnelldrehende Bohrspindel / U/min - JohnsonControl

3 Was ist was kann Wasser = H 2 O? Wasser ist eine chemische Verbindung zwischen Sauerstoff und Wasserstoff Die chemische Formel von Wasser ist H 2 O Sauerstoff Wasserstoff

4 Was kann Wasser = H 2 O? Wasser kann Stein bilden (bekannt als Kesselstein) Wasser kann Korrosionen auslösen (Rost) oder weder das eine, noch das andere verursachen Dr. sc.techn. Hans-G. Weide, Ing.-Chem. Georg Hänisch, Dipl.-Ing. (TU) René Kikels

5 Parameter und Inhaltsstoffe des Wassers Süßwasser Temperatur Farbe Dichte ph-wert Leitfähigkeit Gesamthärte Calcium-Härte Magnesium-Härte Karbonat-Härte Natrium Kalium Mikroorganismen Eisen Mangan Chlorid Nitrat Sulfat Phosphat Silikat Kohlendioxid Sauerstoff Spurenelemente Organische Verbindungen

6 Die wichtigsten Salze des Wassers Von diesen Salzen sind für unsere Betrachtung wichtig: Ca 2+ = Calcium CO 3 2+ = Carbonat HCO3+ = Hydrogencarbonat SiO 3 4- = Silikat Cl - = Chlorid Ursache für Steinbildung Ursache für Korrosion Ursache für Silikat-Ablagerungen Verstärkung der Korrosion

7 Charakterisierung der Inhaltsstoffe Härte (Gesamthärte) (DIN 19640) Unter der Gesamthärte versteht man die im Wasser insgesamt gelösten Magnesium-, Kalzium-, Strontium- und Bariumionen Karbonathärte (m - Wert) Ist der Anteil der Erdalkaliionen, der den in dem Wasser vorhandenen Karbonat- und Hydrogenkarbonationen äquivalent ist Kalkhärte (Ca - Härte) Gesamthärte = Kalkhärte + Magnesiahärte Gesamtkohlensäure (CO 2 ) - Kalk-Kohlensäuregleichgewicht Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + H 2 CO 3 CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca 2+ (aq) + 2 HCO - 3 (aq) Dr. sc.techn. Hans-G. Weide, Dipl.-Ing. Georg Hänisch, Dipl.-Ing. (TU) René Kikels

8 Abhängigkeit der Pumpenstandzeit von der Wasserqualität (Entsprechend der Kessel-/Kühlwassertheorie) - Ca-Härte - Karbonathärte (m-wert) - Temperatur - ph-wert - Leitfähigkeit -Gleichgewicht / -Ungleichgewicht

9 Charakterisierung der Inhaltsstoffe Härte (Gesamthärte) (DIN 19640) Unter der Gesamthärte versteht man die im Wasser insgesamt gelösten Magnesium-, Kalzium-, Strontium- und Bariumionen Karbonathärte (m - Wert) Ist der Anteil der Erdalkaliionen, der den in dem Wasser vorhandenen Karbonat- und Hydrogenkarbonationen äquivalent ist Kalkhärte (Ca - Härte) Gesamthärte = Kalkhärte + Magnesiahärte Gesamtkohlensäure (CO 2 ) - Kalk-Kohlensäuregleichgewicht Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + H 2 CO 3 CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca 2+ (aq) + 2 HCO - 3 (aq) Dr. sc.techn. Hans-G. Weide, Ing.-Chem. Georg Hänisch, Dipl.-Ing. (TU) René Kikels

10 Kalk-Kohlensäuregleichgewicht Stabilitätsindex S.I. Tillmanns untersucht das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht Langelier findet einen Zusammenhang zwischen den Inhaltsstoffen des Wassers und dem Gleichgewichts-pH-Wert. L. W. Fitzpatrick berechnet den Gleichgewichts-pH-Wert J. W. Ryznar führte den Stabilitätsindex (S.I.) ein S.I. = ([(X+10 (B-C *T) )-log10(ca*d)-log10(m*f)]*2)-ph T-Temp.; Ca-Calziumhärte, m-wert (Karbonathärte), ph-wert S.I. < 6 S.I. > 6,5 zunehmende Steinbildung des Wassers zunehmende Korrosion des Wassers S.I. 6-6,5 neutraler Bereich Dr. sc.techn. Hans-G. Weide, Ing.-Chem. Georg Hänisch, Dipl.-Ing. (TU) René Kikels

11 Ergebnisse eines Feldvergleichs mit 34 Wasserstrahlern Pumpen-Standzeitunterschiede von 1 : 1/10 zu den Sollstandzeiten unabhängig von: abhängig von: - Leitfähigkeit - Härte - Si - Gehalt - Gleichgewicht: ph -Wert Ca- Härte m- Wert (Karbonathärte)

12 Auswertungsversuch Der Ansatz mit der Kesselwassertheorie stimmt mit dem Ergebnis des Feldversuchs überein: Leitfähigkeit und Gesamthärte sind in der S.I.-Formel nicht enthalten Die mechanischen Ursachen Standzeitverringerung der Hochdruckpumpen liegen in: - nicht erreichen des Solldrucks durch Leckage - übermäßiger Verschleiß an Ventilen, -sitzen und Zylinder - Ablagerungen an wasserberührenden Teilen - Zerstörung der Wasserdüse Dr. sc.techn. Hans-G. Weide, Dipl.-Ing. Georg Hänisch, Dipl.-Ing. (TU) René Kikels

13 Erklärungsversuch Die gelösten Inhaltsstoffe des Wassers fallen in der HD-Pumpe aus: - Sie bilden Kristalle/Konglomerate, die als Schmirgelstoff wirken - Sie erzeugen Mineralschlamm, der sich ab- und ansetzt - Sie bilden Kristallisationsüberzüge an wasserberührten Teilen Das Wasser wird aggressiv: - Wasserberührte Teile werden oxidiert Mögliche Ursachen: - Bei steigendem Druck fällt die Löslichkeitsgrenze - kristalline Kondensationskeime lassen Kristalle entstehen - Eisenhydroxyd wird durch den gelösten Sauerstoff oxidiert Rost - Die Wasserstruktur ist gestört Radikale u. freie Sauerstoffbindungen oxidieren wasserberührte Teile Dr. sc.techn. Hans-G. Weide, Dipl.-Ing. Georg Hänisch, Dipl.-Ing. (TU) René Kikels

14 Wirkung der Umkehrosmose auf das Wasser Es ist bekannt, dass Umkehrosmose-Wasser sehr aggressiv ist Was passiert bei der Umkehrtosmose? - Die Clusterstruktur wird zerstört - Es entstehen freie Wasserstoffionen (+) H 3 O2+ - gleichzeitig werden offene Sauerstoff-Bindungen an den im Cluster verbleibenden Wassermolekülen gebildet (Radikale), die stark oxydierend sind

15 Wirkung des Ionenaustauschers auf das Wasser Es ist bekannt, dass Ionenaustauscher-Wasser sehr aggressiv ist Was passiert beim Ionenaustauscher? - Das Calcium-Carbonat-Gleichgewicht wird verändert - Ca/ Mg wird durch Na ersetzt, das wesentlich stärker dissoziiert - Es entstehen mehr Ladungsträger / Ionen im Wasser, die das Wasser aggressiv machen Dr. sc.techn. Hans-G. Weide, Ing.-Chem. Georg Hänisch, Dipl.-Ing. (TU) René Kikels

16 Besondere Rolle von Kieselsäure / Silikaten Silikate sind in Wasser vollständig gelöst und bilden damit auch bei einer Dissoziation Kationen (z. B.: Na; Ca; oder Mg) und den silikatischen Rest: das Anion (SiO 4 ) Da sie für die menschliche Ernährung ungefährlich sind, werden sie in der normalen Trinkwasseranalyse nicht erfasst Die Löslichkeit von Silikaten geht bereits ab 150 bar Druck gegen Null. Sie werden als Kristalle ausgeschieden. Bild: Kondritz ohne Quelle

17 Eisenhaltiges Wasser (Nordafrika) 1. Filter 10 µm 2. Filter 5 µm Standzeit der HD-Pumpe 35 h! Wasserdüse mit Einschüssen

18 Lösung des Problems Auswahl einer geeigneten Kühlwasserchemikalie von W.I.N. Entwicklung einer modifizierten Wasserchemikalie mit zusätzlicher ph-wert- und Silikat-Stabilisierung Neues Produkt WIN 2054 WSi

19 Wirkungsweise und Ergebnisse Stabilisierung Silikate Härtestabilisierung Korrosionsinhibitor noch zu wenig ph-stabilisierung Kein Ausfall von Silikatkristallen (Quarz) Keine Bildung von Kesselstein (Ca-, Mg- Schlamm) Korrosionsschutz wasserberührter Teile

20 Zusammenfassung der wichtigsten Erkenntnisse 1. die Standzeit ist unabhängig von der Gesamthärte und der Leitfähigkeit 2. die Standzeit ist vielmehr abhängig vom Silikatgehalt und vom Wasser-Gleichgewicht (ph-wert, Ca-Härte, Karbonathärte) dargestellt vom Stabilitätsindex (S.I.) 3. die besten Ergebnisse konnten erzielt werden, wenn das Stadt- bzw. Ausgangswasser unverändert blieb und nur die Bestandteile stabilisiert wurden, damit diese unter Druck- und Temperaturanstieg nicht ausfallen können 4. Alle Maßnahmen zur Enthärtung, wie Ionenaustauscher oder Umkehrosmose, wirken sich negativ auf die Standzeit aus 5. In Abhängigkeit der S.I.-Werte aus der Anfangsanalyse werden die Dosiermengen für WIN 2054 WSi festgelegt

21 Beispiele für die Anwendung von 2054WSi Kunde 1 (Kolben-Pumpe, 3800 bar) : Sollstandzeit: 800 h tatsächliche Standzeit: 450 h Nach WaQu-Einsatz*: h Kunde 2 (Übersetzer-Pumpe, 4000 bar) : Sollstandzeit: 600 h tatsächliche Standzeit: h Nach WaQu-Einsatz*: 865 h Kunde 3 (Kolben-Pumpe, 3800 bar) : Sollstandzeit: 1000 h tatsächliche Standzeit: 450 h Nach WaQu-Einsatz*: h Dr. sc.techn. Hans-G. Weide, Ing.-Chem. Georg Hänisch, Dipl.-Ing. (TU) René Kikels

22 Details zu den Pumpen Kunde 1 : Benutzt seit mehr als 1 Jahr das Wasserqualitätsmittel. Setzt es auch durch höhere Konzentration als Rostschutz der Schneidteile ein. Konnte die Drehzahl der Rotationspumpe um 25% ohne Druckverlust senken. Ursache Reibungsverlust im Zylinder ist geringer! Kunde 2: Der erste Testlauf mit 2054WSi wurde nicht wegen Leckage abgebrochen, sondern weil eigentlich eine Wartung fällig war. Der zweite Testlauf hat bereits 500 h erreicht, alle Dichtungen dicht. Kunde 3: Der erste Testlauf wurde nach 1400 h abgebrochen, weil eine mechanische Ursache vorlag. Nach Augenzeugen sahen die Ventile und Ventilsitze wie neu aus, in den Zylinderflächen waren keine Schrammen. Dr. sc.techn. Hans-G. Weide, Ing.-Chem. Georg Hänisch, Dipl.-Ing. (TU) René Kikels

23 Mengenabhängige Dosiereinrichtung Wassermengengesteuerte Injektion des Qualitätsmittels WIN-L-2054WSi durch Verwendung eines Impuls-Wassermessers

24 ÜBERSICHT ÜBER DIE ANWENDUNG DES WASSERQUALITÄTSZUSATZES BEIM KUNDEN Jahr Stand Anlagenanzahl Kumuliert Jahresprognose Prognose Anlagenanzahl

25 Zusammenfassung Der Einfluss der Wasserqualität auf den Verschleiß von Hochdruckteilen wurde nachgewiesen. Durch Einsatz des Wasserqualitätsmittels WIN 2054WSi konnte die Standzeit erhöht und der Verschleiß nachprüfbar verringert werden. Folgende Fragen bleiben offen zur weiteren Untersuchung: - absolute Löslichkeitsgrenzen unter Druck (bis 4000 bar) - Rolle der kristallinen Keime bei der Kristallbildung bei hohen Drücken - Rolle der osmotischen Partialdrücke der Inhaltsstoffe - Verbesserungsmöglichkeiten des WIN 2054WSi.

26 EKOWA GMBH Entwicklung & Konstruktion wassertechnischer Anlagen, W.I.N. Produkte Hebbelstraße 10, D Schulzendorf bei Berlin Wir danken für Ihre Aufmerksamkeit!