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Hochmoderne Materialien für Laufräder

Wohin geht die Entwicklung von Materialien und Prozesstechnologien für Pumpenlaufräder? Die Experten für Werkstoff- und Prozesstechnologien von Sulzer sind auf gutem Wege, die Betriebssicherheit und Lebensdauer von Pumpen mit neuen Materialien zu verbessern.

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Exploration und Förderung in Offshore-Gebieten zwingt die Öl- und Gasindustrie dazu, die Grenzen des Machbaren immer wieder zu überschreiten. In grossen Wassertiefen kommen immer mehr Wasserinjektionspumpen zum Einsatz. Die aus grossen Tiefen hochgepumpten Flüssigkeiten haben eine höhere Temperatur und enthalten mehr korrosionsfördernde Substanzen als die Vorkommen in flachen Gewässern.

Je tiefer die Vorkommen, desto höher der benötigte Betriebsdruck. Die Pumpe muss einen Druck von 1’000 Bar (100 MPa) aushalten können. Dies entspricht einer Last von rund 1’000 Kilogramm pro Quadratzentimeter (14’500 Pfund/Quadratzoll). Zudem läuft die Pumpe Tag und Nacht mit 6’000 Umdrehungen pro Minute (U/min), wodurch das Laufrad jährlich Milliarden von Lastzyklen auszuhalten hat.

Bessere Korrosionsbeständigkeit und Stabilität

Die Verwendung geeigneter Materialien ist für die dauerhafte und zuverlässige Leistung einer Pumpe von entscheidender Bedeutung.

In der Regel wird für Hochdruck-Wasserinjektionspumpen Superduplex-Edelstahl verwendet. Doch bei 1’000 Bar stösst auch dieses Material an seine mechanischen Grenzen.

Daher ist ein Material gefragt, das fester ist als gegossener Superduplex-Edelstahl und mindestens dieselbe oder eine noch bessere Korrosionsbeständigkeit aufweist. Keine einfache Aufgabe, zumal Materialfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit normalerweise gegensätzliche Eigenschaften sind. Zudem wirken sich bessere mechanische Eigenschaften und bessere Korrosionsbeständigkeit meist auf die Fertigungsmethode aus und steigern die Herstellungskosten enorm.

Neue Materialien für die additive Fertigung

Sulzer setzt für die Produktion von Pumpenteilen auf neue Materialien und additive Fertigungstechnologien.

Neue Werkstoffe lassen sich mit herkömmlichen Gussverfahren, aber auch mit additiven Fertigungstechnologien (AM) verarbeiten. Sie ermöglichen die Fertigung von Komponenten höchster Qualität bei kurzen Vorlaufzeiten. Zudem weisen die Teile bessere mechanische Eigenschaften auf, und dem Design sind keine Grenzen gesetzt. Die additive Fertigungstechnologie erweitert das Einsatzspektrum unserer Pumpen. Davon profitieren auch unsere Kunden.

Evaluation neuer Materialien

Sulzer will der künftigen Nachfrage nach Hochleistungspumpen gerecht werden. Unsere Materialexperten evaluieren und testen dazu laufend neue Materialien und Prozesstechnologien.

Nach der Prüfung einer grossen Bandbreite von neuen Werkstoffen zur Herstellung von Laufrädern fiel die Wahl der Spezialisten auf eine nickelbasierte Legierung als die vielversprechendste Variante.

Darüber hinaus wurde auch der Herstellungsprozess der Laufräder eingehend analysiert. Um die Vorlaufzeiten möglichst kurz zu halten, favorisierten die Experten auf Rapid Casting basierende Fertigungsprozesse.

Die enormen Verbesserungen, die wir mit neuen Materialien und Prozessen für unsere Kunden erzielen können, faszinieren mich jeden Tag aufs Neue.

Frédéric Lalanne Divisionsleiter Pumps Equipment

Verschiedene Herstellverfahren im Test

Die Ingenieure von Sulzer unterzogen unterschiedliche Verfahren einem Vergleichstest. Einer der wichtigsten Faktoren für eine einwandfreie Materialqualität ist die Replizierbarkeit. Für Laufräder für Wasserinjektionspumpen bevorzugte das Expertenteam schliesslich das Feingussverfahren.

Nach dem Guss wird das Material heissisostatischem Pressen (HIP) ausgesetzt. Bei diesem Vorgang werden sämtliche inneren Poren, die beim Guss entstehen, verschlossen. HIP verdichtet das Material. Dabei wird es ermüdungsresistenter. In einem letzten Schritt erfolgt noch eine spezielle Hitzebehandlung, um die mechanischen Materialeigenschaften weiter zu verbessern.

Vielversprechende Testergebnisse

Die mit der neuen nickelbasierten Legierung und dem neuen Herstellungsprozess erzielten Testergebnisse sind vielversprechend. Weil das Material derzeit in keinem internationalen Materialstandard aufgeführt wird, müssen die Teams neben den Standardtests eine umfassende Materialbeschreibung vorlegen.

Die Testphase wird voraussichtlich bald abgeschlossen sein. Anschliessend wird Sulzer diesen Prozess zur Herstellung von Laufrädern für Wasserinjektionspumpen weltweit einführen. Wieder einmal haben wir gezeigt, dass mit neuen Materialien und Herstellungsverfahren Grenzen überwunden werden können.