Wie Trockenlauf Hartmetall-Dichtflächen beschädigt – und welche Materialkombinationen am besten geeignet sind

Wenn Menschen einWolframkarbid-DichtungsringSie erwarten daher natürlich, dass es fast alles übersteht.

Das Material ist extrem hart, formstabil und äußerst verschleißfest. Siliziumkarbid genießt auch im Einsatz in korrosiven und abrasiven Gleitringdichtungen einen hervorragenden Ruf.

Allerdings können beide Materialien schnell beschädigt werden, wenn eine flüssigkeitsgeschmierte Gleitringdichtung nicht ausreichend mit Flüssigkeit benetzt wird.

Der Grund ist einfach: Härte ersetzt keine Schmierung.

Im Normalbetrieb sind die rotierenden und stationären Dichtflächen durch einen mikroskopisch dünnen Flüssigkeitsfilm getrennt. Dieser Film reduziert die Reibung, führt Wärme ab und ermöglicht einen Betrieb der Dichtflächen mit kontrollierter Leckage.

Beim Trockenlauf wird der Schmierfilm zu dünn, instabil oder fehlt vollständig. Der direkte Kontakt nimmt zu, die Reibungswärme steigt, und das Gleitpaar kann von einem stabilen Betrieb in einen Zustand thermischer und mechanischer Beschädigung geraten.

Bei Langsun Carbide fragen wir daher nicht nur:

„Welches Oberflächenmaterial ist am härtesten?“

Wir fragen:

„Welche Materialkombination erzeugt die geringste schädliche Reibung, bleibt geometrisch stabil und bietet einen realistischen Weg zur Wärmeabfuhr bei Unterbrechung der Schmierung?“

Zunächst einmal: Was bedeutet „Trockenlauf“?

Der Begriff Trockenlauf wird für verschiedene Betriebszustände verwendet. Diese sollten nicht als gleichwertig betrachtet werden.

Zustand	Was geschieht	Typisches Risiko
Teilschmierverlust	Es bleibt etwas Flüssigkeit zurück, aber der Film ist instabil oder durch Gasentwicklung, Verdampfung, schlechte Zirkulation oder niedrigen Flüssigkeitsstand unterbrochen.	Mischreibung, Temperaturwechsel, intermittierender Kontakt und beschleunigter Verschleiß
Kurzer versehentlicher Trockenlauf	Die Dichtungsflächen verlieren vorübergehend ihren Flüssigkeitsfilm während des Anfahrens, Abfahrens, Befüllens oder einer Prozessstörung.	Schnelle Erhitzung, Riefenbildung, Oberflächenverformung, Kohlenstoffabrieb und Leckage nach dem Ereignis
Wiederholter intermittierender Trockenlauf	Schmierstoffverluste treten während normaler Produktionszyklen wiederholt auf.	Kumulative thermische Schäden, fortschreitender Planheitsverlust, Rissbildung und kürzere Dichtungslebensdauer
Speziell entwickelte, trockenlaufende Kontaktdichtung	Die Dichtung ist für den Betrieb mit Kontaktflächen in Gasen oder Dämpfen ausgelegt und verwendet üblicherweise selbstschmierenden Kohlenstoff und eine kontrollierte Flächenbelastung.	Die Leistungsfähigkeit hängt von geringer Reibung, geeigneter Geschwindigkeit, Anpressdruck, Kühlung und zugelassenen Materialien ab.
Berührungslose Trockengasdichtung	Gezielte Rillen erzeugen einen Gasfilm, der die Laufflächen während des Betriebs trennt.	Erfordert eine völlig andere Dichtungskonstruktion, eine saubere Gasversorgung, Steuerungseinrichtungen und einen anderen Betriebsbereich

Eine Materialkombination, die sich in einer Dichtung für einen langsam laufenden, trockenlaufenden Mischer bewährt hat, sollte nicht automatisch für eine schnelllaufende Prozesspumpe zugelassen werden. Dichtflächendurchmesser, Druck, Drehzahl, Ausgleichsverhältnis, Belastung, Wärmeübertragung und Dichtungsgeometrie beeinflussen das Ergebnis.

Was verursacht das Trockenlaufen einer Gleitringdichtung?

Trockenlauf beschränkt sich nicht auf ein leeres Pumpengehäuse. Häufige Ursachen sind:

● Die Pumpe startet, bevor sie vollständig entlüftet ist.

● In der Dichtungskammer bleibt Luft eingeschlossen.

● Die Saugleitung lässt Luft herein

● Der Flüssigkeitsstand sinkt unter den Pumpeneinlass.

● Eine Spül- oder Umwälzleitung ist verstopft

● Das Produkt verdampft oder siedet an den Dichtflächen

● Kavitation oder Gaseinschluss unterbricht den Flüssigkeitsfilm

● Ein Barriereflüssigkeitssystem verliert Druck oder Durchblutung.

● Ein kristallisierendes oder polymerisierendes Produkt verstopft die Dichtungsöffnungen

● Falsche Ventile oder eine fehlerhafte Startsequenz isolieren die Dichtung von der Flüssigkeit

● Das Gerät entleert sich während des Abschaltvorgangs, startet aber wieder, bevor sich die Dichtungskammer wieder füllt.

Die Trockenlaufschadenkette

Ein Ausfall durch Trockenlauf entwickelt sich in der Regel als Kettenreaktion und nicht als einzelnes, isoliertes Ereignis.

1. Der Flüssigkeitsfilm wird zu dünn oder verschwindet.

2. Ein größerer Teil der Flächenlast wird durch direkten Oberflächenkontakt aufgenommen.

3. Reibung und lokaler Temperaturanstieg.

4. Die rotierenden und stationären Flächen erwärmen sich unterschiedlich schnell.

5. Die Ebenheit und die Kontaktverteilung beginnen sich zu verändern.

6. An den höchsten Stellen kommt es zu einer höheren Belastung und zusätzlicher Wärmeentwicklung.

7. Es kommt zu Riefenbildung, Rissbildung, Verschleiß oder Materialübertragung.

8. Die Leckage erhöht sich nach dem Rückfluss der Flüssigkeit.

Wie Trockenlauf Hartmetall-Dichtflächen beschädigt

1. Reibungswärme steigt rapide an

Im Normalbetrieb führt der Flüssigkeitsfilm der Gleitfläche Wärme zu. Geht dieser Film verloren, konzentriert sich mehr Reibungsenergie an den Gleitflächen.

Die Temperatur an der Dichtfläche kann deutlich höher sein als die der umgebenden Flüssigkeit, der Dichtung oder des Metallhalters. Dadurch entstehen Temperaturgradienten über den Dichtungsring.

2. Die Gesichter kegelförmig oder verzerrt

Ungleichmäßige Erwärmung kann die Form der Dichtfläche verändern. Der Kontakt kann sich in der Nähe des Innendurchmessers, des Außendurchmessers oder an einigen wenigen lokalen Erhebungen konzentrieren.

Eine Kontaktfläche, die vor der Installation die Ebenheitsprüfung bestanden hat, kann sich im Betrieb dennoch verformen. Sobald die Flüssigkeit zurückfließt, kann das verformte Kontaktpaar undicht werden, da das ursprüngliche Kontaktmuster verloren gegangen ist.

3. Entwicklung von Rillen und Materialtransfer

Direkter Kontakt kann die Dichtfläche polieren, beschädigen oder aufrauen. Eine harte Dichtfläche kann eine weichere Gegenfläche beschädigen oder überhitzen. Lose Verschleißpartikel können dann zwischen den Dichtflächen zirkulieren und zusätzlichen Abrieb verursachen.

4. Hartmetalloberflächen können brechen oder absplittern.

Wolframcarbid Siliziumkarbid ist verschleißfest, reagiert aber weiterhin empfindlich auf übermäßige thermische Belastung, Kantenbelastung und schnelle Temperaturänderungen.

Eine heiße Fläche, die plötzlich mit kühlerer Flüssigkeit überflutet wird, kann einen Thermoschock erleiden. Vorhandene Kantenschäden, zunehmende Spannungen, Porosität oder ungleichmäßige Flächenbelastung können die Rissbildung begünstigen.

5. Kohlenstoffoberflächen können verschleißen, verglasen, Blasen bilden oder brechen.

Kohlenstoffgraphit wird unter anderem aufgrund seiner günstigen Reibungseigenschaften und seiner Selbstschmierfähigkeit ausgewählt. Allerdings ist es gegenüber dauerhaft hohen Temperaturen nicht unempfindlich.

Je nach Kohlenstoffgehalt, Imprägnierung, Fluid, Temperatur und Belastung kann Trockenlauf Folgendes verursachen:

● Schnelle Gesichtsbehandlung

● Eine polierte oder glasierte Kontaktschiene

● Kohlenstaub

● Risse oder Kantenbeschädigungen

● Blasenbildung oder innere Schäden bei anfälligen imprägnierten Sorten

6. Auch Sekundärdichtungen und Metallteile können beschädigt werden.

Die an den Dichtflächen entstehende Wärme kann in O-Ringe, Faltenbälge, Federn, Halterungen und Metallträger eindringen. Elastomere können aushärten, aufquellen, ihre Elastizität verlieren oder dauerhafte Druckschäden erleiden.

Eine Dichtung kann daher auch nach dem Nachschleifen der Dichtflächen weiterhin undicht sein, wenn durch Hitze beschädigte Sekundärkomponenten wiederverwendet werden.

7. Schäden können bis zum Neustart verborgen bleiben.

Ein kurzer Trockenlauf führt möglicherweise nicht sofort zu sichtbarem Auslaufen. Die Dichtung kann abkühlen, sich wieder füllen und normal erscheinen.

Leckagen können später auftreten, wenn sich Risse ausbreiten, der Kohlenstoffverschleiß anhält, die Planheit nachlässt oder thermische Schäden die Belastung der Oberfläche verändern.

Welche Materialkombinationen überstehen Trockenläufe am besten?

Es gibt keine allgemeingültige Rangfolge, die für jeden Druck, jede Geschwindigkeit, jeden Dichtflächendurchmesser, jede Temperatur und jede Einwirkungsdauer gilt. Der folgende Vergleich dient als praktische Auswahlhilfe für herkömmliche Industriedichtungen.

Materialpaarung	Trockenlaufrichtung	Wo es am besten zu verteidigen ist	Hauptbeschränkung
Kohlenstoffgraphit / Wolframcarbid	Im Allgemeinen verzeiht sie bei korrekter Konstruktion kurze, versehentliche Trockenläufe.	Verschmutzte Flüssigkeiten, Vibrationen, mechanische Stöße, mäßiger Abrieb und Mischreibung	Kohlenstoff kann bei starker Feststoffförderung oder längerem Trockenbetrieb schnell verschleißen.
Kohlenstoffgraphit / Siliciumcarbid	Weit verbreitet in speziell angefertigten, trockenlaufenden und schlecht schmierenden Dichtungen mit Kontaktfunktion.	Saubere oder chemisch aggressive Medien, bei denen Korrosionsbeständigkeit und Wärmeübertragung wichtig sind	SiC benötigt Schutz vor Stößen und unzureichender Unterstützung; Kohlenstoff bleibt die verschleißbegrenzende Oberfläche.
Siliciumcarbid / Siliciumcarbid	Gehen Sie nicht davon aus, dass herkömmliche Sorten für Trockenläufe geeignet sind.	Abrasive und korrosive Flüssigkeiten mit stabiler Schmierung; speziell entwickelte Varianten können die Notfalltoleranz verbessern.	Harter Kontakt kann schädliche Hitze erzeugen, wenn der Flüssigkeitsfilm zusammenbricht.
Wolframcarbid / Wolframcarbid	Üblicherweise niedrigere Priorität, wenn ein glaubwürdiges Trockenlaufrisiko besteht	Starker Abrieb und mechanische Beanspruchung, wenn ein zuverlässiger Flüssigkeits- oder Barrierefilm aufrechterhalten wird	Keine selbstschmierende Kohlenstoffoberfläche; Reibungswärme muss streng kontrolliert werden
Wolframcarbid / Siliciumcarbid	Anwendungsspezifisch; sollte nicht ohne OEM-Validierung für Trockenläufe ausgewählt werden.	Starke Verschleißbelastungen, bei denen sich die gemischte Hartmetall-Kombination unter stabiler Schmierung bewährt hat	Unterschiedliches thermisches und mechanisches Verhalten kann bei Schmierstoffverlust zu einem unvorhersehbaren Kontaktmuster führen.

Beste Paarungsrichtung je nach Betriebsszenario

Betriebsszenario	Bevorzugte Richtung	Grund
Gelegentlicher kurzer Trockenstart in sauberem Wasser	Kohlenstoff/SiC oder Kohlenstoff/WC	Carbon bietet ein nachgiebigeres Reibungsverhalten als ein herkömmliches Hart-auf-Hart-Paar.
Kurzer Trockenlauf plus Vibration oder mechanischer Stoß	Carbon/WC	WC ist mechanisch robust, während Kohlenstoff die Reibung zwischen harten Materialien reduziert.
Kurzer Trockenlauf im Einsatz mit korrosiven Chemikalien	Kohlenstoff/SiC, vorbehaltlich der Kompatibilität mit Kohlenstoffqualitäten	SiC bietet eine breite Korrosionsbeständigkeit und eine stabile, harte Gegenfläche
Abrasive Suspension mit zuverlässiger Barriere oder Spülung	WC/WC, SiC/SiC oder WC/SiC, wie vom Dichtungshersteller zugelassen.	Harte Oberflächen widerstehen Feststoffen, aber die Schmierung muss zuverlässig bleiben.
Schleifmittel plus wiederholte Schmierunterbrechung	Speziell entwickeltes, diamantbehandeltes System oder neu gestaltete Doppeldichtung	Konventioneller Kohlenstoff kann durch Feststoffe verschleißen, während herkömmliche Hart-Hart-Paare überhitzen können.
Wiederholter Betrieb mit geringer Schmierung	Diamantbehandelte oder mikrostrukturierte Dichtflächentechnologie	Geringere Reibung und verbessertes Wärmemanagement beheben das grundlegende Betriebsproblem.
Kontinuierlicher Trockenmischer- oder Reaktorbetrieb	Speziell entwickelte, trockenlaufende Kohlenstoff-/Hartmetall-Dichtung	Flächenbelastung, Geschwindigkeit, Geometrie, Kühlung und Materialien werden gemeinsam ausgelegt.
Kontinuierlicher Hochgeschwindigkeits-Trockengasbetrieb	Speziell entwickelte, berührungslose Gasdichtung	Ein Gasfilm trennt die Dichtflächen; es handelt sich hierbei nicht um eine herkömmliche, flüssigkeitsberührende Dichtung.

Ich glaube nicht, dass die beste Gleitpaarung immer diejenige ist, die bei vollständig geschmiertem Betrieb den geringsten Verschleiß aufweist.

Wenn der Prozess gelegentlich die Schmierung verliert, kann eine Paarung, die unter normalen Bedingungen etwas schneller verschleißt, aber plötzliche thermische Rissbildung vermeidet, eine zuverlässigere Lebensdauer bieten.

Deshalb ist der Kontakt von Kohlenstoff auf einer harten Oberfläche weiterhin so wichtig. Der Kohlenstoff kann zwar zum geplanten Verschleißbestandteil werden, aber er kann auch den Kontakt unempfindlicher machen, wenn der Schmierfilm instabil wird.

Die Wahl zwischen Kohlenstoff/WC und Kohlenstoff/SiC sollte das jeweils vorherrschende sekundäre Risiko widerspiegeln:

● WählenKohlenstoff/WCwenn Vibrationen, Stöße, verschmutzte Flüssigkeiten oder mechanische Beanspruchung ein höheres Gewicht verdienen.

● WählenKohlenstoff/SiCwenn Korrosionsbeständigkeit und eine chemisch stabile, harte Gegenfläche mehr Gewicht haben sollten.

● Auswählen harte auf harte Gesichterwenn starker Abrieb dies erfordert und das Dichtungssystem die Schmierung zuverlässig aufrechterhalten kann.

Langsun Carbide stellt beides herWolframkarbid-DichtungsringeUndSiliziumkarbid-DichtungsringeEine vertrauenswürdige Empfehlung sollte auch erklären, wann eines der beiden Materialien nicht die richtige Wahl ist.

Das Material mit der höchsten Trockenlaufbeständigkeit ist keine Universalqualität. Es sind die Gleitpaarung und die Dichtungskonstruktion, die unter den tatsächlichen Bedingungen von Druck, Geschwindigkeit, Temperatur, chemischer Zusammensetzung und Dauer eine kontrollierbare Reibung erzeugen.

Häufig gestellte Fragen

Kann Wolframkarbid-Dichtung Gesichter trocknen aus?

Eine Gleitfläche aus Wolframkarbid kann bei korrekter Auslegung, insbesondere in Kombination mit einer geeigneten Kohlenstoff-Graphit-Sorte, kurzzeitigen Trockenlauf tolerieren. Herkömmliche flüssigkeitsgeschmierte Dichtungen sollten ohne Bestätigung durch den Originalhersteller nicht als dauerhaft trockenlauffähig eingestuft werden.

Welche herkömmliche Gesichtsbedeckung eignet sich am besten für Trockenläufe?

Kohlenstoff-Graphit auf einer harten Oberfläche ist im Allgemeinen nachgiebiger als eine unmodifizierte Hart-auf-Hart-Kombination. Kohlenstoff/WC wird häufig bevorzugt, wenn es auf mechanische Beanspruchung und Abrieb ankommt, während Kohlenstoff/SiC oft bevorzugt wird, wenn Korrosionsbeständigkeit und der Einsatz in chemikalienarmen Umgebungen wichtig sind.

Ist Kohlenstoff/Wolframcarbid besser als Kohlenstoff/Siliciumcarbid?

Keines der beiden Materialien ist generell besser. Carbon/WC ist möglicherweise die bessere Wahl, wenn Vibrationen, Stöße oder verschmutzte Flüssigkeiten im Vordergrund stehen. Carbon/SiC hingegen ist möglicherweise die bessere Wahl, wenn chemische Beständigkeit und Wärmemanagement im Vordergrund stehen.

Referenzen

1. KSB, „Trockenlauf“. Die Quelle definiert vollständigen und teilweisen Trockenlauf und beschreibt den Verlust der Kühl-, Schmier- und Zentrierwirkung mit möglicher Überhitzung, Abrieb, Fressen und Vibration.

2. John Crane, „Seal Face Technology Solutions“. Die Quelle erläutert die Rolle des dünnen Flüssigkeitsfilms und nennt begrenzte Schmierung, zeitweiligen Trockenlauf und hohe Wärmeentwicklung als Herausforderungen für die Zuverlässigkeit der Dichtfläche.

3. Flowserve, „VRA Mixer Seal“. Die speziell entwickelte, trockenlaufende Kontaktdichtung verwendet eine selbstschmierende, rotierende Dichtfläche aus Kohlenstoff oder gefülltem PTFE; als stationäre Dichtfläche sind unter anderem Wolframkarbid erhältlich.

4. EagleBurgmann, „SeccoMix 1-E32“. Die trockenlaufende Kontaktdichtung verwendet eine Dichtfläche aus Kohlenstoff-Graphit gegen einen Sitz aus Siliziumkarbid innerhalb eines definierten Druck-, Drehzahl-, Temperatur- und Belastungsbereichs.

5. John Crane, „Diamond Seal Face Technology“. Die Quelle beschreibt diamantbehandeltes SiC und ausgewählte WC-Substrate für abrasive, schlecht schmierende, intermittierende Trockenlauf- und Hochtemperaturbedingungen.

6. Flowserve, „ISC2 Standard Cartridge Seal“. Die Quelle beschreibt eine Technologie für das Wärmemanagement, eine verbesserte Trockenlauf- und Kavitationstoleranz, eine Barrierezirkulation und eine Option für eine Diamant-Dichtungsfläche.

7. EagleBurgmann, „Hochtemperatur-Stationärdichtungen Y14 und Y44“. Die Quelle nennt spezielle Kohlenstoffsorten und einen niedrigen Dichtflächendruck als Konstruktionsmaßnahmen, die für die Trockenlauffähigkeit und die Reduzierung der Wärmeentwicklung an der Dichtfläche eingesetzt werden.

8. John Crane, „Innovative Trockengasdichtungen für die neue Wasserstoffwirtschaft“. Die Quelle beschreibt kohlenstoffbasierte Primärringe aufgrund der selbstschmierenden Eigenschaften von Kohlenstoff als reibungstolerant und merkt an, dass SiC- oder WC-Gegenringe bei intermittierendem Kontakt von speziellen Beschichtungen profitieren können.

Author | Allen

Allen ist Internationaler Marketingdirektor bei NINGBO LANGSUN TUNGSTEN CARBIDE CO., LTD. Er verfügt über mehr als 5 Jahre Erfahrung im Bereich industrieller Verschleißteile und Anwendungen von WolframcarbidEr arbeitet mit Kunden in den Bereichen Öl und Gas, Ventil- und Durchflussregelung, Metallverarbeitung, chemische Verarbeitung, Pumpen, Oberflächenbehandlung, Bergbau und Mineralverarbeitung zusammen.

Sein Schwerpunkt liegt darauf, OEMs, Geräteherstellern, Ingenieurbüros und Beschaffungsteams bei der Auswahl zuverlässiger Wolframkarbid-Verschleißteile zu helfen, basierend auf realen Arbeitsbedingungen, Materialeigenschaften, Herstellbarkeit und Qualitätskontrollanforderungen.

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