ACHEMA Trendbericht Pumpen / Armaturen / Dichtungen

Die Branchenführer haben vor einiger Zeit begonnen, die Cost-of-Ownership in den Mittelpunkt der Verkaufsargumentation zu rücken – ein mühsames Unterfangen, wie die Praxis zeigt. Denn die Hersteller treffen bei ihren Kunden praktisch immer auf die Situation, dass Einkauf, Technik und Instandhaltung de facto unterschiedliche Interessen verfolgen: Der Einkauf schaut auf den Preis, der Betriebsingenieur ärgert sich dann über die nicht 100prozentig zufriedenstellende Technik und der Instandhalter fragt sich entgeistert, warum trotz häufiger Ausfälle an der immer gleichen Stelle der Anlage keine andere Pumpe, Armatur oder Dichtung zum Einsatz kommt.

Kann das wirklich Realität sein in der Industrie? Ja doch, bekräftigen insbesondere die innovativen Hersteller, die teure Entwicklungskosten weiterzugeben versuchen: Die Crux sei die fehlende interdisziplinäre Vorgehensweise. Bei den meisten Betreibern fühle sich niemand für das gesamte Thema ‚Fördere Medium X von A nach B‘ verantwortlich. Dafür hat jeder seine Kostenstelle fest im Blick.

Auf der ACHEMA 2003 in Frankfurt/M. werden Hersteller und Anwender wieder reichlich Gelegenheit haben, das Thema Lebenszyklus-Kosten intensiv zu diskutieren. Zu hoffen ist, dass sich daraus Lösungen für wirtschaftlichere Installationen ergeben. Oder wie es ein Branchenbeobachter unmissverständlich formuliert: „It's not just the pump – look at the system, stupid!“

Pumpen:

Das leckagefreie Aggregat steht weiter im Mittelpunkt

Im ersten Halbjahr 2002 weisen die deutschen Hersteller von Kreiselpumpen eine positive Veränderung aus, hier wurden 3,3 % mehr exportiert als im entsprechenden Vorjahreshalbjahr. Etwas schlechter sieht es bei den Herstellern von Verdrängerpumpen aus (oszillierende Verdrängerpumpen -1,2 %, rotierende Verdrängerpumpen -3,8 %). Diese Zahlen untermauern, dass der Kreiselpumpenmarkt nach der Stagnation der letzten Jahre wieder auf leichtem Wachstumskurs ist – jedenfalls erwartet eine Studie von Frost & Sullivan für Europa einen Umsatzanstieg von 2,87 Milliarden US-Dollar im Jahr 2000 auf 3,34 Milliarden US-Dollar im Jahr 2006. Das entspricht einer durchschnittlichen jährlichen Gesamtwachstumsrate von 2,5 Prozent.

Angesichts wachsender Anforderungen beim Einsatz von Kreiselpumpen gibt es eine starke Nachfrage nach technisch anspruchsvollen, innovativen Produkten. Dies wirkt sich auch generell positiv auf die Qualitätsstandards aus. Keine Überraschung ist, dass bei dichtungslosen Pumpen die höchsten Steigerungsraten erwartet werden: Angesichts der teilweise enormen Drücke und Temperaturen der verfahrenstechnischen Prozesse sowie der Toxizität und Explosivität der Fördermedien besitzen hermetisch dichte Antriebe wie Spaltrohrmotoren und Magnetkupplungen in der chemischen Verfahrenstechnik schon heute eine herausragende Bedeutung. Der Einsatz leckagefreier Aggregate wird in Zukunft voraussichtlich weiter zunehmen, wie Betreiber versichern. Das Potential von Spaltrohrmotoren und Magnetantrieben – bis hin zu eventuell denkbaren Kombinationen und Weiterentwicklungen aus beiden Konzepten – sei bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Vor allem wegen verschärfter Umweltvorschriften (Stichwort: neue TA Luft!) und erweiterter Einsatzgebiete erwarten Fachleute bei dichtungslosen Pumpen die höchsten Steigerungsraten. Manche Beobachter erwarten Innovationssprünge in gar nicht so ferner Zukunft – man darf also gespannt sein, was die Hersteller auf der ACHEMA 2003 an Neuheiten präsentieren werden.

Die Gleitlager von hermetisch gekapselten Kreiselpumpen werden durch das Fördermedium geschmiert und gekühlt – das kann in der Praxis problematisch sein (Trockenlauf, verdampfendes Medium). Eine Problemlösung zumindest für Nischenanwendungen verspricht die magnetische Lagerung des Rotors: Mit einem ‚lagerlosen Scheibenmotor‘ verspricht ein Hersteller den Bau einer sehr einfachen Kreiselpumpe mit einem magnetisch frei-schwebenden Pumpenrad. Eine einzelne Motor/Lagereinheit stelle gleichzeitig sowohl die Antriebs- als auch die magnetischen Lagerfunktionen sicher und sei fähig, die räumlichen Freiheitsgrade des Pumpenrads magnetisch und ohne direkten Kontakt durch die Wände des Pumpengehäuses zu stabilisieren. Solche Pumpen fördern Medien in der Biotechnologie, ultra-reine Chemikalien und CMP-Slurries in der Halbleiter-Industrie; ihre Leistungsfähigkeit ist allerdings noch beschränkt auf kleine Antriebsleistungen unter 1 kW.

Attraktive Service-Konzepte gewinnen an Bedeutung

In der Branche wird auch über das Thema Service/Instandhaltung intensiv diskutiert. Das Bewusstsein wächst, dass eine zustandsbezogene Wartung und Reparatur die MTBF (mean time between failure) deutlich steigern, die Betriebsausfälle reduzieren und den finanziellen Aufwand herabsetzen können. Vor allem sollte der Betreiber auch nach der Pumpeninstallation von Zeit zu Zeit prüfen, ob die Auslegungsparameter noch korrekt sind (vielleicht waren sie es nie?). Im Mittelpunkt steht dann eine genaue Analyse der Schadensausfälle – das reicht vom nicht angepassten Werkstoff über den nicht optimalen Betriebspunkt bis hin zur ungeeigneten Gleitringdichtung.

Auch das wird mittlerweile als Servicepaket angeboten: Im Rahmen des ‚Total Pumping Concept‘ deckt ein Hersteller von Abwasserpumpen alle Betriebsleistungen von Pumpstationen und deren vollständige Überwachung im 24-Stunden-Service ab: Betriebssicherung, Reparatur, Wartung, Instandhaltung, Reinigung, Sanierung und Betriebsdokumentation – und das über Zeiträume von 10 bis 20 Jahren. Durch gestaffelte Leistungsvarianten kann der Betreiber das Angebot auf seine Situation bedarfsgerecht zuschneiden. Neben langfristig sicher kalkulierbaren Beträgen liegt ein weiterer Kundennutzen in der ständigen Überwachung der Anlagen und einer permanenten Optimierung des Betriebs.

Der Trend, Intelligenz in Form von elektronischen Einheiten direkt in die Pumpe zu integrieren, ist ungebrochen. Sensoren überwachen die Pumpe dann rund um die Uhr und alarmieren rechtzeitig bei einer sich anbahnenden Störung. Diese Alarmierung erfolgt zum einen konventionell über Meldekontakte zur übergeordneten Leittechnik; Vorteile verspricht der Einsatz eines digitalen Feldbus, weil dann erheblich mehr und aussagekräftigere Informationen übertragbar sind. Ist der Antrieb drehzahlveränderlich, kann sogar auf bevorstehende Störungen reagiert und so ein Fehlbetrieb vermieden werden. In diesem Zusammenhang gewinnen Konzepte zur Fernüberwachung und Ferndiagnose von Aggregaten – auch über das Internet – an Bedeutung. Auf der ACHEMA 2003 werden eine Reihe von Herstellern solche Service-Angebote unterbreiten (u.a. auch Teleservice).

Praktikable Störungsfrüherkennung nimmt Gestalt an

Je teurer eine Pumpe ist und je komplexer der Anlagenkreislauf, in dem sie arbeitet, um so wichtiger ist es, den Zustand der Pumpe ständig zu erfassen und zu überwachen. Da Pumpen auf Veränderungen in einer Anlage reagieren, sind sie auch ein Indikator für nicht geplante Anlagenzustände – beispielsweise sind beschädigte Gleitlager oft die Folge von Gaseintrag im Fördermedium. Um die Verfügbarkeit von Anlagen zu erhöhen, ist die Kenntnis der Zusammenhänge zwischen Anlagenverhältnissen und entsprechender Reaktion der Pumpe ein wichtiger Ansatz. Dies war die Ausgangsbasis für eine intelligente Zustandserfassung von Kreiselpumpen, die mit einem Minimum an Sensorik auskommt. Ergebnis einer Analyse von Ausfallstatistiken war, dass zwei bis drei Sensoren ausreichen, um eine Pumpe in hinreichendem Umfang zu überwachen und darüber hinaus in einigem Umfang zu diagnostizieren. Die Sensoren werden eingesetzt zur Trockenlauferkennung, zur Messung der Lagertemperatur und vor allem zur Schwingungserfassung.

Denn das Frequenzspektrum, das den Klang der Pumpe beschreibt, enthält eine Fülle von Informationen. Mit den neuen Diagnose-Systemen wird das Personal von der Routine der regelmäßigen Pumpenkontrolle entlastet und kann sich auf den Betrieb und die Wartung der Anlage konzentrieren. Erste Feldtests haben das Potenzial und die Funktionsfähigkeit moderner Diagnoseverfahren bestätigt.

Dichtungen:

Werkstoff-Feintuning gefragt

Hohe Drücke, Temperaturen zwischen -40 bis +300°C, verbunden mit Umgebungseinflüssen wie Feuchtigkeit oder starker Kontamination, sind typisch für die Verfahrenstechnik. Hinzu kommen starke Erschütterungen, Druckspitzen, Seitenkräfte etc. Um über die gesamte Bandbreite der Einsatzbedingungen Funktionssicherheit gewährleisten zu können, müssen Dichtsysteme werkstoff- und geometrieseitig sorgfältig abgestimmt sein.

Anwendern reicht jedoch die zuverlässige Beherrschung und Regelung von Kräften nicht mehr aus. Sie erwarten schnelle und exakte Prognosen über das Langzeitverhalten von Dichtungselementen. Solche Anforderungen lassen sich nur auf Basis kontinuierlicher Grundlagenforschung realisieren. So werden beispielsweise die Kenntnisse über tribologische Vorgänge ständig erweitert und Dichtungsgeometrien in der Entwicklungsphase mit Hilfe der FEM (Finite Elemente Methode) rechnerisch optimiert, um so schneller zu den gewünschten Ergebnissen zu gelangen.

Die Anbieter von Dichtungssystemen stehen nicht nur vor der Herausforderung, gesetzliche Vorgaben wie die Neufassung der TA Luft einzuhalten; sie müssen ihren Kunden dafür auch möglichst wirtschaftliche Lösungen anbieten: Günstige Investitionskosten, hohe Standzeiten und der einfache Zugriff für Wartungsarbeiten stehen auf der Prioritätenliste weit oben. Auch diese Entwicklung wird häufiger genannt: Nachdem lange Zeit der Focus bei immer raffinierteren Dichtungsgeometrien lag, liegt heute einer der Schwerpunkte auf der Werkstoffoptimierung. Dabei stehe das Feintuning im Vordergrund, bei dem Werkstoffe haargenau auf die Belange des einzelnen Anwendungsfalles getrimmt werden. Das habe seine Gründe, unter anderem würden heute Reaktoren für die chemische Synthese kleiner Materialmengen mit den entsprechend ausgefeilten Prozessführungssystemen angeboten. Das mache den Dichtungshersteller unabhängig vom Angebot der großen Chemiefirmen.

Fachleute sind sich einig in der Einschätzung, dass trotz aller Erfolge der dichtungslosen Pumpen bei weniger anspruchsvollen Förderaufgaben die Gleitringdichtung ihre Bedeutung behalten wird. Vergleichbar zu den Pumpen, soll auch in der Dichtungstechnik die Entwicklung der Sensorik zur Zustandsüberwachung dynamischer Dichtungen nicht allein für neue Einsatzmöglichkeiten sorgen, sondern auch Kosten einsparen. Bislang wurde eine Gleitringdichtung erst nach deren Ausfall ausgetauscht oder – in sicherheitsrelevanten Bereichen bzw. bei potentiell hohen Risiken für die Produktionssicherheit – in regelmäßigen Abständen vorsorglich gewechselt. Modulare Diagnosesysteme liefern dem Betreiber hingegen permanent Informationen über den Zustand seiner Dichtungen – eine Dichtung wird erst dann ausgetauscht, wenn dies wirklich erforderlich ist.

Was sagt der Instandhalter, welche Wünsche hat er? Dichtungen sollten, da sie vielfach handwerklich verarbeitet werden, fehlertoleranter sein. Außerdem sollte geprüft werden, inwieweit bei Radialwellendichtringen nicht auch wie bei Gleitringdichtungen die Gegenlauffläche, die sich in vielen Anwendungsfällen als kritischer Partner zeigt, mitgeliefert werden kann.

Armaturen:

Zahl automatisierter Regelarmaturen wächst

Größte Abnehmerbranche für Industriearmaturen ist mit einem Umsatzanteil von 32,6 Prozent die Öl- und Gasindustrie (2002). Zweitgrößter Einzelsektor mit 19,9 Prozent ist die Chemische- und Petrochemische Industrie.

Im Jahr 2001 produzierten die rund 170 Hersteller in Deutschland laut VDMA Industriearmaturen für 2,06 Milliarden Euro. Damit konnte das Produktionsergebnis gegenüber dem Vorjahr um 2 % gesteigert werden. Bei einem Anstieg des Exports um 5 % auf 1,34 Milliarden Euro konnte die Branche ihre Exportquote auf 65 % erhöhen (Anteil direkter und indirekter Export an der Produktion).

Diese Zahlen unterstützt eine Branchenanalyse von Frost & Sullivan, demzufolge die europäischen Hersteller von Industriearmaturen und Stellantrieben für die Prozessindustrie in einer gefestigten Position sind: Der Absatz im Europamarkt soll von 3,53 Milliarden US-Dollar (2001) um jährlich 2,2 Prozent auf 4,10 Milliarden US-Dollar (2008) ansteigen. Unter anderem der zunehmende Einsatz von Erdgas dürfte Investitionen in der Öl- und Gasindustrie als größtem Anwendungssektor fördern. Intelligente Armaturen mit Stellantrieben, integraler Bestandteil aller modernen Armaturensysteme, sorgen zusammen mit Feldbus-Netzwerken und Online-Systemen für weiteres Wachstum. Der große Bestand installierter Armaturen und Stellantriebe garantiert eine rege Nachfrage nach Ersatzteilen, Austausch- und Aufrüstprodukten, die ebenfalls erheblich zum Gesamtumsatz beiträgt.

Das Medium bestimmt die Armaturen-Bauart

Die in der Industrie üblicherweise per Rohrleitung transportierten Stoffe (Gase, Prozesswasser, Säuren/Laugen, aber auch Pulver und Granulate) bestimmen zusammen mit den auftretenden Temperaturen weitestgehend die Armaturen-Bauart sowie die einzusetzenden Armaturen-Werkstoffe. Kommen aggressive Medien zum Einsatz, ist die Korrosionsfestigkeit der produktberührten Bauteile eine wesentliche Anforderung. Darüber hinaus muss die Belastung in Form der gegebenen Betriebsdrücke berücksichtigt werden. Typisch ist vielfach auch die Anforderung höchster Dichtheit nicht nur im Durchgang, sondern vor allen Dingen nach außen (Chemie, Petrochemie, Kernkrafttechnik).

Ob ein Ventil, eine Absperrklappe, ein Kugelhahn oder ein Schieber die bessere Wahl ist, das hängt vor allem von der Art des Fördermediums und den Betriebsbedingungen ab. Bei der Automatisierung einer Industriearmatur sind weitere, übergeordnete Gesichtspunkte zu beachten (bestehende Antriebs-Standards, verfügbare Schnittstellen und Bus-Systeme, zentrale Leittechnik usw.).

Die Auswahl der ‚richtigen‘ Armaturen-Bauart für den jeweiligen Einzelfall erfordert neben Kenntnissen über die jeweiligen Eigenschaften vor allem auch eine Gesamtbetrachtung, ist doch die Armatur praktisch stets Komponente eines kompletten Systems. Während früher beispielsweise die Bedienung der Armaturen über Hebel und Handräder erfolgte, wurden infolge der zunehmenden Automatisierung in den Anwenderbranchen entsprechend konzipierte Stellantriebe entwickelt. Zwei Anforderungsprofile einer Armaturen-Automation sind zu unterscheiden: Zum einen die reine Auf/Zu-Steuerung, wo die Armatur nur in ihre jeweilige Endlage zu fahren ist; zum anderen der Regelbetrieb, wo mit einem Sollwert über die Veränderung der Armaturenstellung der Rohrleitungs-Durchfluss überwacht wird.

Der Anteil automatisierter Industriearmaturen hat sich in den letzten Jahren verdoppelt, das Verhältnis Handarmaturen zu Regelarmaturen erreicht bereits heute einen Wert von etwa 70 zu 30. Fachleute erwarten in der Prozesstechnik schon bald ein Verhältnis 50 zu 50. Hintergrund sind zum einen die Einsparungen beim Personal – wenn weniger Mitarbeiter zur Verfügung stehen, kann man die in den Anlagen weit verteilten Armaturen kaum noch per Hand betätigen. Hinzu kommt der kontinuierliche Ausbau der Prozessautomation mit zentraler Leittechnik, die selbstverständlich auch alle Armaturen zur Prozessregelung einschließt.

Abgesehen vom reinen Antrieb, der pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch erfolgt, übernehmen interaktionsfähige Stellgeräte Aufgaben der Selbstüberwachung und Diagnose (Störungsfrüherkennung und Ermittlung der Störungsursache) sowie der Kommunikation durch standardisierte Verfahren (z.B. Feldbus).

Intelligente Regelarmaturen erhöhen somit in signifikanter Weise die Sicherheit und tragen zur ressourcenschonenden Produktion und zur Zuverlässigkeit von Prozessen bei, indem sie mit ihrer Umgebung digital kommunizieren und bei Bedarf eigenständig sowohl reagieren als auch agieren, um sich auf veränderte Prozessanforderungen einzustellen. Dadurch werden neben den genannten Vorteilen auch die Standzeiten, d.h. die Lebenserwartung der Armaturen erhöht und somit die Lebenszykluskosten reduziert. Zu beachten ist, dass die Automatisierungskosten einer Armatur nicht nur von der Wahl der Industriearmatur selbst, sondern auch von den Betätigungsarten (manuell, elektrisch, pneumatisch) abhängt; je nach Kombination ergeben sich deutlich unterschiedliche Investitions-, Betriebs- und Energiekosten.

Gemeinschaftsforschung unterstützt den Mittelstand

Aufgrund der wachsenden Anforderungen des Anlagen- und Rohrleitungsbaus stoßen die überwiegend kleinen und mittleren Unternehmen der Armaturen-Branche mit ihren Forschungs- und Entwicklungsabteilungen häufig an Kapazitätsgrenzen. Hier stellt die industrielle Gemeinschaftsforschung unter dem Dach des Fachverbandes im VDMA einen bewährten Ausweg dar. Zahlreiche Hersteller von Industriearmaturen behandeln dort in enger Kooperation mit Hochschulen und Forschungsinstituten die Möglichkeiten einer Optimierung von Produktentwicklungsabläufen. Im Mittelpunkt der Projektüberlegungen steht der Gedanke, das herkömmliche auf physikalischen Prototypen basierende Produkt-Design durch weniger zeit- und kostenintensive Simulationswerkzeuge zu entlasten.

Was kann der Anwender künftig erwarten, in welche Richtung gehen die Entwicklungen bei Industriearmaturen? Die ACHEMA 2003 wird neben Produktweiterentwicklungen neue Ansätze bei der Fernüberwachung, beim Teleservice und bei der Steuerung per Internet präsentieren – durchaus vergleichbar zu den Entwicklungen bei den Pumpen.

ACHEMA 2003

27. Internationaler Ausstellungskongreß für Chemische Technik, Umweltschutz und Biotechnologie

Frankfurt am Main, 19. - 24. Mai 2003

(Quelle DECHEMA e.V.)