Pumpenkavitation und Vibration: Folgen für Gleitringdichtungen

Gleitringdichtungsschäden durch Kavitation können selbst dann auftreten, wenn Dichtungsgröße, Werkstoffe und Einbaumaße korrekt gewählt wurden. Häufig zeigt sich zuerst eine Undichtigkeit der Dichtung, während die eigentliche Ursache an anderer Stelle in der Pumpe liegt. Ungünstige Saugbedingungen, instabiler hydraulischer Betrieb, verschlissene Lager, Fluchtungsfehler oder ein unwuchtiges Laufrad belasten die Dichtflächen unter ständig wechselnden Bedingungen.

Diese Unterscheidung ist für die Fehlersuche entscheidend. Der Austausch der beschädigten Gleitringdichtung kann die Leckage zunächst beseitigen. Kavitiert oder vibriert die Pumpe jedoch weiterhin, wird die neue Dichtung denselben Belastungen ausgesetzt und kann erneut ausfallen.

Eine zuverlässige Reparatur beginnt deshalb mit der Betrachtung des gesamten rotierenden und hydraulischen Systems und nicht nur des undichten Bauteils.

Pumpenkavitation und Vibration hängen zusammen, sind aber nicht dasselbe

Kavitation ist ein hydraulisches Phänomen. Sie entsteht, wenn der lokale Flüssigkeitsdruck so weit absinkt, dass sich Dampfblasen bilden. Gelangen diese Hohlräume anschließend in einen Bereich mit höherem Druck, kollabieren sie sehr schnell.

Die KSB-Erläuterungen zur Kavitation beschreiben die Entstehung und den plötzlichen Zusammenbruch von Dampfblasen in einer Strömung. Bei einer Kreiselpumpe ist besonders der Laufradeintritt kritisch, weil der lokale Druck beim Beschleunigen der Flüssigkeit in die rotierenden Kanäle stark sinken kann.

Der Blasenkollaps erzeugt Druckstöße, Geräusche und Erosionsschäden. Darüber hinaus kann er die hydraulische Belastung des Laufrads destabilisieren. Dadurch steigen unter Umständen die Schwingungen an Welle, Lagern und Dichtung.

Vibration bezeichnet dagegen eine mechanische Schwingungsbewegung. Sie kann durch Kavitation entstehen, aber ebenso durch Unwucht, Fluchtungsfehler, verschlissene Lager, verbogene Wellen, Rohrleitungskräfte, lockere Verbindungen, Resonanz oder Betrieb außerhalb des vorgesehenen Arbeitspunkts.

Nicht jede vibrierende Pumpe kavitiert. Und nicht jeder vibrationsbedingte Dichtungsschaden geht auf ein Problem an der Saugseite zurück.

Warum der NPSH-Wert wichtig ist

Die Haltedruckhöhe NPSH hilft, den Sicherheitsabstand einer Pumpe zur Kavitation zu bewerten. Die KSB-Informationen zum NPSH erläutern, dass der verfügbare NPSH für die gewählte Pumpe und den jeweiligen Betriebspunkt eine ausreichende Saugreserve bieten muss.

Eine einfache NPSH-Berechnung ersetzt allerdings keine vollständige Diagnose. Flüssigkeitstemperatur, Druckverluste in der Saugleitung, Behälterfüllstand, Volumenstrom, Drehzahl, Einlaufgeometrie, mitgerissenes Gas und die tatsächliche Pumpenkennlinie beeinflussen ebenfalls die hydraulische Stabilität.

Ändern sich die Bedingungen nach der Inbetriebnahme, kann eine zuvor zuverlässig laufende Pumpe später Kavitation entwickeln.

Wie Kavitation eine Gleitringdichtung beeinträchtigt

Kollabierende Dampfblasen greifen normalerweise hydraulische Bauteile wie das Laufrad an, nicht unmittelbar die Dichtflächen. Ihre Auswirkungen können sich jedoch auf den gesamten Rotor übertragen.

Druckschwankungen erzeugen wechselnde radiale und axiale hydraulische Kräfte. Das Laufrad überträgt sie auf Welle und Lager. Die Gleitringdichtung muss der daraus entstehenden Wellenbewegung folgen und gleichzeitig einen kontrollierten Flüssigkeitsfilm zwischen zwei äußerst ebenen Dichtflächen aufrechterhalten.

Eine konstruktiv vorgesehene geringe Axialbewegung ist bei vielen Dichtungen normal. Übermäßige oder schnelle Bewegungen sind dagegen kritisch: Die rotierende und die stationäre Gleitfläche halten dann möglicherweise kein stabiles Tragbild mehr.

Kavitation und Pumpenschwingungen können somit aus einem hydraulischen Problem einen Dichtungsschaden machen, obwohl die ursprünglich eingebaute Gleitringdichtung selbst fehlerfrei war.

Kavitation kann auch die Bedingungen im Dichtungsraum verändern

Hydraulische Instabilität beeinflusst nicht nur die Wellenposition. Während die Pumpe in instabile Betriebszustände gerät, können auch Druck und Strömung im Bereich der Dichtungskammer schwanken.

Gelangen Gas oder Dampf zwischen die Gleitflächen, kann die Schmierung instabil werden. Das ist nicht zwangsläufig ein vollständiger Trockenlauf; der wiederholte Zusammenbruch eines zusammenhängenden Flüssigkeitsfilms kann jedoch Reibung und örtliche Temperatur erhöhen.

Unser Leitfaden Was passiert beim Trockenlauf einer Gleitringdichtung? erklärt die Folgen, wenn der Schmierfilm in größerem Umfang verloren geht.

Ein Betrieb weit außerhalb des Auslegungspunkts kann außerdem die internen Rückströmungen der Pumpe verändern. Bei ungewöhnlichen hydraulischen Geräuschen zusammen mit Dichtungsschäden sollten deshalb immer der tatsächliche Betriebspunkt und die Sauganlage geprüft werden.

Wie starke Vibrationen die Gleitflächen beschädigen

Eine Gleitringdichtung setzt voraus, dass rotierende Gleitfläche, Gegenring, Welle, Dichtungsdeckel und Sekundärdichtungen mechanisch stabil zusammenarbeiten. Übermäßige Schwingungen stören diese Beziehung fortlaufend.

Flexible Dichtungselemente können begrenzte Wellenbewegungen ausgleichen. Einen dauerhaft instabilen Rotor können sie jedoch nicht kompensieren.

Schnelle Radialbewegungen verschieben das Tragbild auf den Gleitflächen. Axialbewegungen zwingen die bewegliche Dichtfläche, der Welle wiederholt nachzuführen. Überschreitet dies das Nachführvermögen der Dichtung, können sich die Flächen kurzzeitig trennen oder ungleichmäßig belasten.

Mögliche Folgen sind Leckage, beschleunigter Verschleiß, ausgebrochene Dichtflächenkanten und lokale Überhitzung.

Ungleichmäßiger Verschleiß und Kantenbeschädigungen erkennen

Eine intakte Dichtstelle sollte entsprechend ihrer Konstruktion und Anwendung ein gleichmäßiges Laufbild entwickeln. Übermäßige Wellenbewegung kann die Belastung auf einen kleinen Teil der Fläche konzentrieren.

Kohlegleitflächen können ungleichmäßige Politur, Ausbrüche oder starken Verschleiß aufweisen. Spröde Hartstoffflächen reagieren bei ausgeprägter Vibration oder mechanischen Stößen möglicherweise mit Kantenschäden.

Unser Werkstoffvergleich für Gleitringdichtungen erklärt, weshalb Keramik, Siliziumkarbid, Wolframkarbid und Kohle auf mechanische, thermische und abrasive Belastungen unterschiedlich reagieren.

Robustere Werkstoffe können in manchen Anwendungen die Belastbarkeit verbessern. Der Wechsel von Keramik auf einen zäheren Gleitwerkstoff repariert jedoch weder ein defektes Lager noch eine instabile Welle.

Auch O-Ringe, Bälge und Federn sind betroffen

Nicht nur die primären Gleitflächen werden beansprucht. Bei Gleitringdichtungen mit axial beweglichem Sekundärdichtelement können O-Ringe auf Welle oder Hülse gleiten, während sich die Gleitfläche axial nachstellt.

Dauernde Schwingungen begünstigen Fretting, Verschleiß der Sekundärdichtung, Ablagerungsempfindlichkeit und unerwünschte Bewegungen an diesen Kontaktstellen. Gummibälge werden ebenfalls wiederholt verformt; Federn und Mitnehmer müssen der instabilen Bewegung folgen.

An einer ausgefallenen Dichtung können deshalb mehrere Schadensmechanismen gleichzeitig sichtbar sein.

Kavitationsschäden von anderen Schwingungsproblemen unterscheiden

Wartungsteams sollten Kavitation nicht allein aus einer Dichtungsleckage ableiten. Zu einer belastbaren Diagnose gehören Betriebssymptome, Pumpenhistorie, Schwingungsverhalten, hydraulische Messdaten und der Zustand demontierter Teile.

KSB beschreibt typische Kavitationsgeräusche wie Kieselsteine in einem Betonmischer. Das Geräusch allein beweist jedoch keine Ursache. Es muss mit Saugdruck, Fördermenge, Schwingungen, Pumpenleistung und Inspektionsergebnissen abgeglichen werden.

Eine Fallstudie von Sulzer zeigt ebenfalls den praktischen Zusammenhang zwischen Kavitation, erhöhten Schwingungen, Pumpenwirkungsgrad und Anlagenzuverlässigkeit. Dort waren Änderungen an den Betriebsbedingungen erforderlich, nicht wiederholter Bauteiltausch.

Schwingungsursache vor dem Dichtungstausch finden

Kavitation und Vibration treten häufig gemeinsam auf. Bei der Fehlersuche sollten hydraulische und mechanische Ursachen dennoch getrennt untersucht werden.

Besteht Kavitationsverdacht, beginnen Sie an der Saugseite. Kontrollieren Sie Füllstand, Saugdruck, Flüssigkeitstemperatur, verschmutzte Siebe, teilweise geschlossene Ventile, Leitungsverengungen, übermäßige Saughöhe, Lufteintritt und Veränderungen des Prozesses.

Vergleichen Sie anschließend den tatsächlichen Volumenstrom mit dem zulässigen Betriebsbereich. Ein weit vom Bestpunkt entfernter Betrieb kann hydraulische Kräfte und Instabilität erhöhen. Flowserve warnt in Pumpenanleitungen vor ungewöhnlich hohen oder niedrigen Fördermengen, weil sie Kavitation, Schwingungen, Überhitzung und verkürzte Lebensdauer begünstigen können.

Prüfen Sie danach das mechanische System.

Kontrollieren Sie Lager, Kupplungsausrichtung, Wellenrundlauf, Welle und Hülse, Laufradwuchtung, Fundament, Befestigungsschrauben, Rohrleitungskräfte und mögliche Lockerungen. Jeder dieser Fehler kann auch ohne Kavitation Vibrationen auslösen.

Wenn Schwingungen mit einer instabilen Wellenbewegung einhergehen, lesen Sie ergänzend unseren Leitfaden zu Wellenrundlauf und Fluchtungsfehlern, um hydraulische Ursachen von mechanischen Wellen- und Ausrichtungsproblemen zu unterscheiden.

Tritt eine Leckage der Gleitringdichtung nach der Montage nur bei rotierender Welle auf, verdient der Pumpenzustand besondere Aufmerksamkeit. Eine Dichtung, die im Stillstand trocken bleibt, im Betrieb aber leckt, kann auf Rundlauffehler, Vibration, Kavitation oder andere dynamische Einflüsse reagieren.

Nicht jedes Schwingungsproblem mit einer robusteren Dichtung behandeln

Nach wiederholten Ausfällen werden häufig härtere Gleitflächen, stärkere Federn oder eine teurere Patronengleitringdichtung eingebaut.

Eine konstruktive Verbesserung kann im Einzelfall sinnvoll sein. Die Dichtung darf aber niemals als mechanische Abstützung für eine defekte Pumpe dienen.

Die John-Crane-Informationen zur Zustandsüberwachung nennen Unwucht, Fluchtungsfehler, Kavitation, Lagerverschleiß und Welleninstabilität als Zustände rotierender Maschinen, die den Dichtflächenverschleiß beschleunigen und das Leckagerisiko erhöhen können.

Das ist wichtig, weil verschiedene Grundursachen sehr ähnliche Dichtungsschäden erzeugen können.

Eine ausgebrochene Gleitfläche kann beispielsweise auf einen mechanischen Stoß hindeuten. Der Stoß kann jedoch durch Kavitation, ein beschädigtes Lager, übermäßigen Rundlauffehler oder fehlerhafte Montage entstehen. Ebenso kann ungleichmäßiger Verschleiß durch Vibration, Verzug des Dichtungsdeckels oder falsche Einbaulänge verursacht werden.

Nutzen Sie einen Leitfaden zur Werkstoffauswahl für Gleitringdichtungen erst nach Klärung der Betriebsursache. Wählen Sie robustere Werkstoffe, wenn die tatsächliche Anwendung dies erfordert – nicht als Ersatz für die Beseitigung eines Grundfehlers.

Kavitations- und vibrationsbedingte Dichtungsschäden vorbeugen

Vorbeugung beginnt bei einem stabilen Pumpenbetrieb. Sorgen Sie für ausreichende Saugbedingungen und prüfen Sie, ob die Pumpe innerhalb des vom Hersteller freigegebenen Bereichs arbeitet.

Halten Sie Saugsiebe und Leitungen frei. Vermeiden Sie unnötige Drosselstellen, Lufteinschlüsse und undichte Sauganschlüsse. Überprüfen Sie den verfügbaren NPSH, sobald sich Tankfüllstand, Flüssigkeitstemperatur, Pumpendrehzahl oder Prozessdruck ändern.

Pflegen Sie außerdem den rotierenden Antriebsstrang. Lager, Ausrichtung, Wellenzustand, Laufradwuchtung, Fundamentsteifigkeit und Rohrleitungskräfte beeinflussen die Vibration an der Gleitringdichtung.

Bei kritischen Anlagen lohnt es sich, Messwerte über längere Zeit zu verfolgen. Schwingungsdaten sind besonders aussagekräftig, wenn sie mit dem bekannten Ausgangszustand der Pumpe, dem Betriebspunkt, Druck, Temperatur und Durchfluss verglichen werden.

Einen universellen Schwingungsgrenzwert für alle Pumpen gibt es nicht. Maßgeblich sind die Herstellergrenzen, einschlägige Maschinennormen und anlagenspezifische Zuverlässigkeitskriterien.

Die ausgefallene Dichtung als Beweismittel untersuchen

Bewahren Sie bei einem Schaden die ausgebauten Dichtungsteile auf, bis die Ursache untersucht ist.

Dokumentieren Sie, welche Dichtfläche rotierte, wo Verschleiß auftrat, ob Kanten ausgebrochen sind, ob die O-Ringe Fretting-Spuren zeigen und ob sich Ablagerungen an beweglichen Teilen gebildet haben. Untersuchen Sie gleichzeitig Laufrad und Lager.

Halten Sie auch fest, wann die Leckage auftrat. Undichtigkeiten nur beim Anfahren, zeitweise Leckage bei niedrigem Füllstand oder dauerhafte Leckage in jedem Betriebspunkt deuten auf unterschiedliche Ursachen hin.

Die Ausfallhistorie kann zeigen, ob Kavitation und Pumpenschwingungen den Dichtungsschaden ausgelöst haben oder ob andere Bedingungen wahrscheinlicher sind.

Häufig gestellte Fragen

Kann Kavitation eine Gleitringdichtung direkt zerstören?

Kavitation beginnt normalerweise in den hydraulischen Strömungskanälen der Pumpe und nicht unmittelbar zwischen den Gleitflächen. Sie kann jedoch Druckschwankungen, Schwingungen, instabile Wellenlasten und schlechte Dichtungsraumbedingungen auslösen. Dadurch nehmen Verschleiß und Leckage zu.

Kann eine neue Gleitringdichtung Vibrationen beseitigen?

Nein. Eine Gleitringdichtung begrenzt den Austritt von Flüssigkeit an einer rotierenden Welle. Sie behebt weder Lagerverschleiß noch Fluchtungsfehler, Unwucht, Rohrleitungskräfte, Resonanz oder hydraulische Instabilität. Zuerst muss die Schwingungsursache beseitigt werden.

Kann Kavitation zeitweise Leckage auslösen?

Ja. Verursacht Kavitation wechselnde Wellenlasten oder instabilen Druck im Dichtungsraum, kann die Leckage vom jeweiligen Betriebspunkt abhängen. Zeitweise Undichtigkeiten können aber auch andere Ursachen haben. Deshalb müssen Hydraulik und Mechanik vor einer eindeutigen Diagnose geprüft werden.

Ist Wolframkarbid bei vibrierenden Pumpen die richtige Wahl?

Wolframkarbid besitzt eine für anspruchsvolle Anwendungen nützliche Zähigkeit. Der Werkstoffwechsel allein löst aber kein übermäßiges Schwingungsproblem. Beheben Sie zunächst den Pumpenfehler und wählen Sie danach die Gleitflächenwerkstoffe anhand von Medium, Druck, Temperatur, Feststoffen, Drehzahl und verbleibenden mechanischen Lasten.

Wie lassen sich Kavitation und ein Lagerschaden unterscheiden?

Betrachten Sie alle Hinweise. Kavitation verändert sich häufig mit Saugbedingungen und Durchfluss und erzeugt mitunter typische hydraulische Geräusche. Lagerdefekte zeigen möglicherweise andere Schwingungsmuster, Temperaturänderungen oder mechanisches Spiel. Für eine sichere Diagnose können Schwingungsanalyse und Pumpenleistungsdaten nötig sein.

Fazit

Kavitation und Vibration können Gleitringdichtungen zerstören, weil ihre zuverlässige Funktion stabile hydraulische Bedingungen und eine kontrollierte Wellenbewegung voraussetzt. Kavitation erzeugt wechselnde hydraulische Kräfte, während mechanische Schwingungen die Nachführung der Gleitflächen, die Sekundärdichtungen und den Schmierfilm stören können.

Bei wiederholten Ausfällen reicht der Dichtungstausch nicht aus. Prüfen Sie Saugbedingungen, Pumpenbetriebspunkt, Lager, Ausrichtung, Wellenrundlauf, Laufrad und Schwingungshistorie.

Eine stabil arbeitende Pumpe schafft die Bedingungen, die eine Gleitringdichtung für eine zuverlässige Lebensdauer benötigt.