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Hydraulische Stellantriebe: Mit geplanter Wartung Ausfälle und hohe Kosten vermeiden

Occasional Contributor

Acht von zehn Kraftwerkbetreibern wissen nicht, was sie riskieren, wenn sie dem Dichtungsverschleiß in hydraulischen Stellantrieben freien Lauf lassen. In diesem Praxisleitfaden erfahren Sie, wie Sie Schäden und Produktionsausfällen mit vorausschauender Planung kosteneffizient vorbeugen.

Damit Gas- und Dampfturbinen zur Stromerzeugung die richtige Leistung und Drehzahl liefern, muss die Medienzufuhr exakt geregelt werden. Hydraulische Stellantriebe sorgen für die exakte Regelung der Ventile. Im Störungsfall üben Sie außerdem eine wichtige Sicherheitsfunktion aus, indem sie die Zufuhr mechanisch unterbrechen und das Medium umleiten. Um all dies dauerhaft zu gewährleisten, ist es unerlässlich, die hydraulischen Stellantriebe für Gas- und Dampfturbinen regelmäßig gemäß der jeweiligen gesetzlichen Vorschriften und Herstellerempfehlungen überprüfen und warten zu lassen. Der Grund: Jeder hydraulische Stellantrieb – sei er auch noch so hochwertig – weist betriebsbedingt einen Verschleiß auf, der bei den Dichtungen beginnt und sich bei fehlender Wartung auf weitere Komponenten ausdehnen kann. Wer diese Tatsache missachtet und bis zum offensichtlichen Ausfall wartet, riskiert hohe Reparaturkosten und lange Wartezeiten bis zur uneingeschränkten Wiederaufnahme der Produktion.

Drohender Verlust der SIL-Fähigkeit

Werden Vorgaben aus der Betriebsanleitung und dem Sicherheitshandbuch, beispielsweise Wartungsvorgaben und Proof-Test-Intervalle nicht eingehalten, oder werden die Stellantriebe nicht bestimmungsgemäß eingesetzt, so verliert der Antrieb unter Umständen seine SIL-Konformität und damit die Eignung für sicherheitstechnische Anwendungen. Nicht bestimmungsgemäße Einsätze sind etwa das Verwenden von verunreinigtem bzw. kontaminiertem Hydrauliköl. Dies kann zu Ausfällen der Magnet- und Cartridge-Ventile sowie zu erhöhtem Verschleiß an der Kolbenstangendichtung und der Kolbenstage führen. Darüber hinaus kann eine ungeeignete Platzierung im austretenden Heißdampf Schäden durch Überhitzung hervorrufen (vgl. 1.3), was eine starke Korrosion an sicherheitsrelevanten Komponenten wie Magnet- und Cartridge-Ventilen, Kolbenstange und Federpaket nach sich ziehen kann. Last but not least gefährdet eine unzureichende Regelung bzw. Steuerung die SIL-Fähigkeit. Denn unzulässige Schwingungen können in kürzester Zeit erheblichen Verschleiß bewirken.

1.   Schadensursachen:

1.1 Dauerhafter Dichtungsverschleiß

Werden insbesondere die Kolben- und Stangendichtungen des Stellantriebs nicht turnusgemäß ausgetauscht, spätestens nach sechs Jahren, führt der Verschleiß zu funktionellen Beeinträchtigungen. Zunächst treten Leckagen auf, später Schäden an Kolben und Kolbengehäuse. Gegebenenfalls kommt es direkt zum Ausfall. Der Verschleiß liegt einerseits unabhängig von der Produktqualität am Alterungsprozess des Dichtungsmaterials, das sukzessive spröde und porös wird, so dass die Dichtwirkung abnimmt. Andererseits spielt die Häufigkeit der Bewegungsänderung in Kombination mit der Hublänge eine Rolle. Die Hübe sind deshalb vom Regelsystem so zu gestalten, dass ein ausreichender Schmierfilm und somit ein verschleißarmer Betrieb für die Dichtungen gewährleistet sind. Ein dauerhafter Betrieb im Kurzhubbereich führt hingegen zu erhöhtem Dichtungsverschleiß und Beschädigungen der Gegenlaufflächen. Speziell bei kurzen Hüben in hoher Frequenz kann sich das im Wartungsplan empfohlene Wechselintervall für Dichtungen deutlich verkürzen. Eine regelmäßige Kontrolle ist unbedingt erforderlich.

Bei Stellantrieben, die über einen längeren Zeitraum nur kurze Hübe ausführen oder in einer Position verharren – je nach Anwendung mitunter mehrere Wochen oder Monate –, verbleiben herausgelöste Dichtungspartikel größtenteils in der Kammer, da das Öl darin kaum ausgetauscht wird. So verschmutzt das Innere des Zylinders zunehmend und die Dichtringe nutzen sich noch schneller ab.

28206.jpgVon außen nicht zu erkennen: Der natürliche Alterungsprozess lässt die Dichtungen im Innern spröde und porös werden. Ein dauerhafter Betrieb im Kurzhubbereich schränkt die Dichtwirkung zusätzlich ein.

1.2  Falsche Wartung oder Montage

Abgesehen vom Verschleiß können auch Wartungs- oder Montagefehler ursächlich für dauerhafte Schäden an Stellantrieben sein. Eine häufige Fehlerquelle bildet die Ausrichtung zum Dampf- oder Gasventil. Werden Ventil- und Kolbenstange nicht fluchtend montiert, treten seitwärtswirkende Kräfte an der Kupplung auf, welche die Führungsbänder belasten. In der Folge nutzen sich diese sowie die Dichtungen übermäßig stark ab. Eine weitere Schadensursache aufgrund fehlerhaften Handlings besteht im Befüllen des Hydrauliksystems mit einem falschen Fluid. Dies kann eine chemische Reaktion zwischen Dichtung und Fluid auslösen, die wiederum den Verschleißprozess beschleunigt.

1.3 Besondere Risiken bei Dampfventilen

Kraftwerkbetreiber, die mittels Dampf Strom erzeugen, sollten zudem auf die Dichtheit der Dampfventile in Richtung Zylinder achten. Strömt das bis über 500°C heiße Medium lange genug die Außenbeschichtung des Stellantriebs an, kann der Lack „abbrennen“, so dass die Oberfläche an dieser Stelle korrodiert. Abgesehen von diesem offensichtlichen Schaden, kann aber auch das Federpaket im Inneren des Zylinders Schaden nehmen, welches das Ventil im Störungsfall rein mechanisch mit bis über 400 KN Kraft in die Sicherungsstellung bringt.

An der Schnittstelle zur Armatur – der Kupplung – darf die Umgebungstemperatur nicht mehr als 200°C betragen. Infolge stärkerer Hitzeeinwirkung kann der aus einer Wachsschicht bestehende Korrosionsschutz des Tellerfedersystems beschädigt werden. Kommt es zum Bruch von verrosteten Federn, verliert der Stellantrieb seine Sicherheitsfunktion. In diesem Fall erfordert das Bauteil eine umgehende Überholung in einem vom Hersteller zertifizierten Service Center.

Unkontrollierter Dampfaustritt kann den Stellantrieb darüber hinaus durch Überhitzung des Hydraulikmediums beschädigen. Denn die Fluidtemperatur darf im Kreislauf maximal 70°C betragen. Kann das System den Hitzeeintrag nicht ausgleichen, „verbrennt“ das Hydrauliköl. Das bedeutet, es wird zäh und klebrig. Der Dichtungsverschleiß nimmt zu, Ventile und andere Einzelkomponenten verlieren ihre Beweglichkeit und Funktion.

28207.jpgSicherheitsrelevantes Bauteil: Das Federpaket im Inneren des Zylinders bringt das Ventil im Störungsfall rein mechanisch in die Sicherungsstellung. Kommt es korrosionsbedingt zum Bruch, verliert der Stellantrieb seine Sicherheitsfunktion.

2.  Folgen mangelnder Wartung

2.1 Verminderte Regelgüte

Noch bevor die Dichtungen ihre angestammte Funktion durch fortwährenden Verschleiß verlieren, führt zunehmende interne oder externe Leckage zu Energieverlusten. Der begleitende Temperaturanstieg fördert wiederum den Verschleiß in anderen Bereichen des Hydrauliksystems. Eine weitere Folge der erhöhten Leckage besteht in einer verminderten Regelgüte. Unter Umständen ist das System somit nicht mehr in der Lage, die geforderte Leistung der Turbine ausreichend genau einzustellen.

2.2  Mechanische Schäden (Worst Case)

Ist die Beschädigung des Dichtsystems so weit fortgeschritten, dass es zum mechanischen Kontakt zwischen Kolbenstange und Zylindergehäuse kommt, nehmen die Hauptkomponenten dauerhaft Schaden. Aufgrund der nun auftretenden Leckage kann der Stellantrieb seine Regelungsfunktion nicht mehr ordnungsgemäß wahrnehmen. Dies ist bei intaktem Tellerfedersystem zwar nicht sicherheitsrelevant, doch der Schaden ist nun erheblich größer. Denn im Vergleich zu einem vorbeugenden Dichtungstausch ist nun eine außerordentliche Reparatur fällig, die im Vergleich zur normalen Überholung um ein Vielfaches aufwendiger und teurer ist. Der Grund: Die Hauptkomponenten
des Stellantriebs, wie etwa Zylindergehäuse und Kolben, sind beim Hersteller aufgrund der großen Varianz in der Regel nicht lagerhaltig. Manche Teile müssen sogar erst gegossen und anschließend bearbeitet werden. Im ungünstigsten Fall vergehen so Wochen oder Monate. Fällt die Wartezeit in die Hochsaison, müssen Betreiber gegebenenfalls empfindliche Produktionseinschränkungen hinnehmen.

3.    Praxisempfehlungen

3.1  Dem Worst-Case vorbeugen

Wer das Worst-Case-Szenario kosteneffizient vermeiden möchte, sollte nicht nur die Wartungsvorschriften einhalten, sondern auch größere Inspektionen rechtzeitig einplanen. ...

Weitere Infos und den Link zum Download des vollständigen Whitepapers finden Sie HIER

 

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