Optimierung von Spindelabdichtungen in Armaturen hinsichtlich Funktion und Ausblassicherheit durch Oberflächenbehandlung

Projektnummer 317

Für die Betriebssicherheit, Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit von Anlagen der Energie erzeugenden Industrie spielt die ordnungsgemäße Funktion von Ventilen, Schiebern und sonstigen Armaturen mit Stopfbuchsabdichtungen eine entscheidende Rolle.

Die in diesen Armaturen eingesetzten Stopfbuchsabdichtungen müssen unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden. Neben der Dichtheit nach außen, muss eine Armatur insbesondere seine Schließ- und Regelfunktionen störungsfrei ausführen. Hohe Reibwiderstände zwischen Spindel und Stopfbuchspackung können zu Betriebsstörungen und Ausfall der Armatur führen. Abrasiver und adhäsiver Verschleiß zwischen Armaturenspindel und Packungswerkstoff beeinflussen die Leckageraten deutlich.

Eine Zielsetzung dieses Forschungsvorhabens ist daher die Erhöhung der Funktionssicherheit durch die Anwendung verschiedener Beschichtungstechnologien an der Armaturenspindel. Für die Optimierung der Spindeloberfläche mit dem Ziel hoher Verschleißfestigkeit und geringer Reibung in der Stopfbuchse für Packungen im Temperaturbereich bis 400 °C werden folgende Beschichtungstechnologien untersucht:

  • Selbstfließende Legierungen:
    • induktives Einschmelzen/Einschmelzen im Vakuum,
    • thermische Nachbehandlung.
  • Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen - High Velocity Oxygen Fuel (HVOF) (z. B. Karbid-Beschichtungen).
  • Amorphe, diamantähnliche DLC-Kohlenstoffschichten (DLC: Diamond Like Carbon).
  • Kristalline CVD-Diamantschichten (CVD: Chemical Vapour Deposition).
  • Nitrieren der Spindeln.
  • Al-Ti-Nitrid-PVD-Beschichtungen (PVD: Physical Vapour Deposition).

Durch mechanisch-technologische Prüfungen und durch Reibversuche mit eingebundenen Leckageraten-Messungen wird die Qualität der Spindeloberfläche und der Spindelabdichtung ermittelt. Zur Beurteilung dieser Abdichtungseigenschaften werden die so gewonnenen Kennwerte wie Flächenpressung, Reibwert, Leckagerate und die metallografischen und metallurgischen Eigenschaften der Oberflächenbeschichtungen zu einem Gesamtergebnis zusammengestellt.

Die nach den genannten Beschichtungstechnologien gefertigten Spindelbeschichtungen werden mechanisch-technologisch untersucht im Hinblick auf

  • Oberflächenhärte,
  • Reibfestigkeit,
  • Schlagfestigkeit,
  • Temperaturschockbeständigkeit,
  • Temperaturwechselbeständigkeit
  • und Korrosionsbeständigkeit gegen Wasser, Dampf und Chloride.

Für diese Untersuchungen werden praxisübliche, standardisierte und qualifizierte Prüfmethoden verwendet.

Als weitere Zielsetzung dieses Vorhabens wird der Nachweis der Ausblassicherheit von Packungen in Stopfbuchsabdichtungen bei beschichteten und unbeschichteten Spindeln in Abhängigkeit von der Restvorspannung der Packungen angestrebt.

Das Forschungsprojekt wird von August 2008 bis Juli 2010 an der Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart unter Leitung von Dr. Hans Kockelmann durchgeführt und von einer Arbeitsgruppe des Arbeitskreises Rohrleitungsanlagen, Armaturen und Druckbehälter fachlich begleitet. Das Vorhaben wird aus Mitteln des deutschen Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e. V. ( AiF ) gefördert (AiF-Projektnummer 15722 N).

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Projektergebnisse