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Verfahrenstechnik 6/2019

Verfahrenstechnik 6/2019

MESSEN, REGELN,

MESSEN, REGELN, AUTOMATISIEREN I TITEL Wertvolles Wissen für Wartungsingenieure Pumpenkavitation mit Differenzdrucktransmitter und IIoT-Applikation frühzeitig erkennen Die vorbeugende Instandhaltung nutzt das IIoT, um die Lebensdauer kritischer Anlagenkomponenten, wie beispielsweise in Prozessanlagen eingesetzte Pumpen, zu schützen und zu verlängern. Eine neue präventive Überwachungsmethode nutzt die Kombination eines hochgenauen und schnellen Differenzdrucktransmitters zusammen mit der IIoT-Applikation als fortschrittliches Analysewerkzeug, um Feindruckanomalien bei kritischen Pumpen zu überwachen und zu melden. Autoren: Masaru Kimura, Spezialist Systemprodukte, Yokogawa Electric Corporation, Musashino/Tokio, Japan, Jürgen Kerndlmaier, Vertriebsbeauftragter, Yokogawa Deutschland GmbH, Ratingen Kavitation bei Pumpen, die in Produktionsanlagen eingesetzt werden, ist ein bekanntes Problem: Auf der Saugseite kann durch die Saugwirkung kurzzeitig Unterdruck entstehen. Bereits bei normalen Temperaturen kann der Unterdruck wiederum dazu führen, dass sich Dampfblasen in der Flüssigkeit bilden. Dieser physikalische Effekt verkleinert nicht nur den flüssigkeitsfördernden Querschnitt von Pumpen und Rohren. Die Kavitation verursacht vielmehr auch eine kontinuierliche Beschädigung der Pumpenbestandteile. Eine massiv verkürzte Lebensdauer ist die Folge. Anzeichen für diese Abnutzung frühzeitig zu erkennen, also noch zu einem Zeitpunkt, bevor erhebliche Schäden auftreten, ist schwierig. 01 Stufen der Kavitationsentwicklung bei Pumpen und die entsprechenden Warnstufen Ein neues IIoT-System aber löst jetzt dieses Problem und ermöglicht es dem Anlagenpersonal, frühzeitig geeignete Korrekturmaßnahmen zu ergreifen, um Pumpenschäden oder Totalausfälle zu vermeiden. Schlechter Pumpenbetrieb In fast allen Anlagen der Prozessindustrie müssen flüssige (Roh-) Stoffe von Punkt A nach Punkt B bewegt werden. Im Normalfall werden hierfür Pumpen eingesetzt, die – abhängig von dem zu bewegenden Volumen – in der Anschaffung sehr kostenintensiv sein können. Insbesondere bei den sehr großen Nennweiten und Pumpleistungen würde eine Beschädigung oder gar ein Ausfall der Pumpen zu erheblichen Produktivitätseinbußen führen, im schlimmsten Fall auch zum Totalausfall der Anlage. In der Praxis Detektion mit Yokogawa-System Konventionelle Detektion Keine Kavitation Kavitation im Frühstadium Starke Kavitation Pumpe Laufrad Rohrleitung Keine Blasenbildung 36 VERFAHRENSTECHNIK 6/2019 Blasen bilden sich und kavitieren im Abstand von mehreren Sekunden. Große Menge an Blasen Starke Geräuschentwicklung Starke Vibration

TITEL I MESSEN, REGELN, AUTOMATISIEREN Wenn auf der Saugseite der Pumpe ein Unterdruck herrscht und sich bereits Dampfblasen gebildet haben, treffen diese – zusammen mit der Flüssigkeit – auf die Pumpe bzw. auf das Pumpenlaufrad. Aus dem Unterdruck entsteht durch die Anstauung wieder ein Überdruck: Die Dampfblasen kavitieren – d. h. die Dampfblasen brechen in sich selbst zusammen. In den Hohlraum, der entsteht, drängt Flüssigkeit nach. Dieser sogenannte Microjet hat Überschallgeschwindigkeit und kann mit seiner Kraft das Metall von der Oberfläche des Laufrades erodieren. Zusätzlich erzeugt das Kavitieren der Dampfblasen enorme Vibrationen im System und generiert ein Ansteigen des Lärmpegels. Diese Geräusche sind akustisch deutlich wahrnehmbar. Häufig wird die Kavitation erst entdeckt, wenn das Bedien- oder Wartungspersonal akustische oder schwingungstechnische Anomalien feststellt. Zu diesem Zeitpunkt aber sind an der Pumpe bereits erhebliche Schäden aufgetreten, und oft werden sogar weitere angeschlossene Komponenten – der Motor, der die Pumpe antreibt, lokale Überwachungsinstrumente sowie vor- und nachgelagerte Rohrleitungen – in Mitleidenschaft gezogen Weil die Kavitation so große Probleme bereitet, versucht man bei der Konstruktion von Neuanlagen diesen Umstand bereits in der Konzeption der Rohrleitungsführungen zu berücksichtigen. Doch Verarbeitungsvorgänge, Anlagenzustände sowie die Umgebung ändern sich im Laufe der Zeit – und provozieren unter Umständen Bedingungen, unter denen sich Kavitation entwickelt. Und nicht zuletzt tragen auch unsachgemäße Maßnahmen des Anlagenpersonals zur Entstehung von Kavitation bei. Früherkennung ist gut sehen sich deshalb viele Anlagenbetreiber gezwungen, diese Sys teme redundant auszuführen. Mit einer kontinuierlichen Überwachung der Prozessbedingungen aber lassen sich dieser Aufwand und die damit verbundenen Kosten vermeiden. Der hochpräzise Differenzdrucktransmitter kann mit einem Silizium-Resonanz-Sensor auch kleinste Druckschwankungen erkennen Um Pumpen also besser zu schützen, sollten sie überwacht werden. Doch selbst tragbare Vibrationsmessgeräte sind kaum in der Lage, Kavitation im Frühstadium zu erkennen, denn es gibt keine allgemeinen Indizes für die Früherkennung. Veränderungen im Druckprofil jedoch, auch die kleinsten, sind ein Indiz für kavitationsinduzierende Bedingungen. Zu einer der effizientesten Überwachungsmethoden zählt daher das Detektieren von Druckprofilschwankungen auf der Saugseite der Pumpe, denn sie liefert eindeutige reproduzierbare Ergebnisse. An der Saugseite der Pumpe werden die kleinsten Veränderungen des Differenzdruckes durch einen hochpräzisen Drucktransmitter – Teil des IIoT-Systems – erfasst. Der Drucksensor übermittelt diese Daten in Echtzeit an das dazugehörige Auswertesystem. Durch Aus­ 02 Der Differenzdrucktransmitter EJX und der Stardom-Controller ermöglichen die Echtzeit-Überwachung von Pumpen- und Prozessbetrieben unter Verwendung proprietärer Technologien Kavitation tritt an der Pumpe auf Visualisierung der Kavitation Differenzdrucktransmitter erzeugt Rohdaten Rohrleitung Druckmessgerät Pumpe Differenzdrucktransmitter Kavitationsdetektionssystem Digitale Feldkommunikation (Foundation Fieldbus) Steuerung PC oder andere Geräte zeigen Informationen zur Kavitationsdetektion an. Die Steuerung wandelt Rohdaten in Kavitationsdetektionsinformationen um. VERFAHRENSTECHNIK 6/2019 37

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