Kavitation: Einer der schwerwiegendsten Schäden bei Kreiselpumpen

ZUSAMMENFASSUNG

Kavitation stellt eines der schwerwiegendsten und am weitesten verbreiteten Probleme in Kreiselpumpen dar: ein ebenso lautloses wie zerstörerisches Phänomen, das Leistung, Effizienz und Lebensdauer der Anlage beeinträchtigen kann. Wenn der lokale Druck einer Flüssigkeit unter ihren Dampfdruck fällt, entstehen Dampfblasen, die beim Implodieren Stoßwellen und Vibrationen erzeugen, welche die internen Komponenten beschädigen. Der Artikel analysiert ausführlich, was Kavitation ist, wie sie entsteht und welche Folgen sie für Laufräder, Dichtungen und Materialien hat.

Anschließend wird die Klassifizierung der wichtigsten Kavitationstypen erläutert – Saughöhenkavitation, interne Rezirkulationskavitation und Turbulenzkavitation – sowie die Bedeutung der Auswahl geeigneter Materialien, die sowohl mechanischen Belastungen als auch besonders aggressiven chemischen Umgebungen standhalten können.

Ein breiter Abschnitt ist den konstruktiven Implikationen gewidmet, mit Schwerpunkt auf dem NPSH-Parameter, der korrekten Berechnung der Druckverluste, der Laufradgeometrie und der Konfiguration der Saugleitung. Abschließend vertieft der Artikel die Techniken zur Erkennung des Phänomens und die Präventionsstrategien – von der vorausschauenden Wartung bis zur Schulung des Personals – und hebt hervor, wie die Erfahrung und Technologie von CDR Pompe die Entwicklung sichererer, effizienter und kavitationsbeständiger Systeme ermöglichen.

KAVITATION: EINE DER SCHWERWIEGENDSTEN STÖRUNGEN BEI KREISELPUMPEN

Kavitation ist eines der tückischsten und häufigsten Phänomene in industriellen Pumpensystemen und kann, wenn sie vernachlässigt wird, die Leistung und Lebensdauer von Kreiselpumpen erheblich beeinträchtigen. In hochspezialisierten Anlagen, in denen aggressive Flüssigkeiten, hohe Drücke und intensive Betriebszyklen zum Alltag gehören, stellt Kavitation eine ständige Gefahr dar, die – wenn sie nicht erkannt oder rechtzeitig verhindert wird – zu gravierenden Problemen für die gesamte Anlage führen kann: Verlust der hydraulischen Effizienz, erhöhter Energieverbrauch, Lärmentwicklung, Vibrationen und irreversible Schäden an den mechanischen Komponenten der Pumpe.

In Anbetracht der typischen Störungen, denen Prozesspumpen ausgesetzt sind, zeichnet sich die von CDR entwickelte Pumpenpalette – einschließlich Magnetkupplungs- und Gleitringdichtungslösungen – durch ihre Robustheit und ihre Fähigkeit aus, auch unter extremen chemischen und mechanischen Bedingungen zuverlässig zu arbeiten, selbst im 24/7-Betrieb. Dank eines beratungsorientierten Ansatzes, der über Jahrzehnte in der Auswahl von Anlagen und in der Wartung entwickelt wurde, kann CDR wirksam zur Vermeidung von Kavitation beitragen und so die Betriebskontinuität sichern.

WAS KAVITATION IST UND WIE SIE ENTSTEHT

Kavitation entsteht, wenn der lokale Druck einer Flüssigkeit unter ihren Dampfdruck fällt und anschließend in einem Bereich höheren Drucks wieder ansteigt: In diesem kurzen Zeitraum bilden sich Dampfblasen, deren Implosion mechanische Schäden verursacht.

In einer Kreiselpumpe, insbesondere im Bereich des Laufrads, wo die Flüssigkeit beschleunigt wird und der Druck schnell variieren kann, entstehen ideale Bedingungen für die Blasenbildung. Werden diese Blasen vom Strömungsfluss in einen Bereich höheren Drucks transportiert, implodieren sie und erzeugen lokale Stoßwellen, mechanische Vibrationen, Oberflächenerosion (Pitting) und ungewöhnliche Geräusche.

Betrieblich führt Kavitation zu einer Verringerung der hydraulischen Effizienz, da ein Teil der Flüssigkeit im Dampfzustand „arbeitet“, zu einem höheren Energieverbrauch und zu einer verkürzten Lebensdauer des Laufrads, des Pumpengehäuses und der Dichtungen. In vielen Fällen bildet Kavitation den Ausgangspunkt für weitere schwerwiegende Schäden an der Kreiselpumpe, was zu unvorhersehbaren und oft sehr kostspieligen Ausfallzeiten führt.

Es ist daher entscheidend, dass Bediener, Konstrukteure und Wartungsverantwortliche das Phänomen der Kavitation genau verstehen, um es zu verhindern und zu managen – durch die richtige Auswahl der Pumpe, geeigneter Materialien, der Saugleitung und der Anlagenkonfiguration. Während geplanter Stillstandszeiten bietet CDR Pompe zudem vorausschauende Wartungsdienste an, um künftigen Problemen oder Fehlfunktionen vorzubeugen.

ES GIBT NICHT NUR EINE ART VON KAVITATION

Kavitation ist ein umfassendes und komplexes Problem, das verschiedene Bereiche der Pumpe betreffen kann. Es gibt unterschiedliche Ausprägungen dieses Schadens, die jeweils auf bestimmte Betriebs- oder Konstruktionsbedingungen zurückzuführen sind. Die jeweilige Kavitationstypologie zu erkennen bedeutet, gezielte und zeitgerechte Gegenmaßnahmen ergreifen zu können.

Saughöhenkavitation: entsteht, wenn der NPSHa (Net Positive Suction Head available) niedriger ist als der vom Hersteller geforderte NPSHr (Net Positive Suction Head required). Dies ist die häufigste und gefährlichste Form, da sie die Lebensdauer des Laufrads schnell reduziert.

Interne Rezirkulationskavitation: tritt auf, wenn die Pumpe außerhalb ihres vorgesehenen Betriebspunktes arbeitet, beispielsweise bei zu niedrigen oder zu hohen Fördermengen. Dabei entstehen interne Rezirkulationszonen im Laufrad, die die Blasenbildung und damit die Kavitation fördern.

Turbulenzkavitation: wird durch Strömungshindernisse erzeugt, wie falsch dimensionierte Ventile, zu enge Bögen, abrupte Querschnittsänderungen in der Saugleitung oder übermäßig lange Saugstrecken. Diese Bedingungen erzeugen lokale Druckabfälle und begünstigen die Bildung von Kavitationsblasen.

KONSTRUKTIVE IMPLIKATIONEN

Die Vermeidung von Kavitation hängt nicht nur vom korrekten Betrieb der Pumpe ab, sondern vor allem von einer präzisen Auslegung der Anlage.

Jede Phase – von der Berechnung der Saugparameter über die Wahl des Laufrads bis hin zur Konfiguration der Saugleitung – hat direkten Einfluss auf die Wahrscheinlichkeit, dass Kavitation auftritt.

Eine genaue Analyse der Betriebsbedingungen und der NPSH-Werte ermöglicht die Entwicklung zuverlässigerer, effizienterer und langlebigerer Systeme.

KAVITATION UND MATERIALIEN

Die Materialwahl für die Konstruktion der Pumpe und ihrer Komponenten ist ein entscheidender Faktor im Umgang mit Kavitation.

So bieten kunststoffausgekleidete Materialien (PP, PFA, PVDF, ETFE) hervorragende chemische Beständigkeit und eignen sich besonders für aggressive Umgebungen, sind jedoch weniger widerstandsfähig gegenüber der mechanischen Erosion durch implodierende Blasen. Bei Kavitation können ausgekleidete Oberflächen schneller verschleißen als robuste metallische Materialien.

Metallische Werkstoffe wie Edelstahl (z. B. AISI) bieten hingegen eine höhere Beständigkeit gegen mechanische Stoßbelastungen, können jedoch bei stark beanspruchten Oberflächen ebenfalls Pitting oder Kavitationsrisse entwickeln. Daher ist es entscheidend, das richtige Gleichgewicht zwischen chemischer Beständigkeit und Kavitationsbeständigkeit bei der Auswahl von Laufrädern, Beschichtungen und internen Komponenten zu finden.

In Anlagen mit hohem Kavitationsrisiko – etwa aufgrund hoher Geschwindigkeiten, instabiler Flüssigkeiten oder schwieriger Saugbedingungen – macht die Kombination aus hochmechanisch widerstandsfähigen Materialien und geeigneter Anlagenkonfiguration den Unterschied.

NPSH: EIN GRUNDLEGENDER PARAMETER

Der Begriff NPSH (Net Positive Suction Head) beschreibt die Energiemenge, ausgedrückt als Flüssigkeitssäule, die am Pumpeneintritt zur Verfügung steht, um die Flüssigkeit im flüssigen Zustand zu halten und die Dampfblasenbildung zu vermeiden. Anders ausgedrückt misst er den effektiven Druck, mit dem die Flüssigkeit in die Pumpe eintritt, im Verhältnis zu ihrem Dampfdruck – ein entscheidender Parameter zur Vermeidung von Kavitation.

Dabei unterscheidet man:

NPSHa (available): die tatsächlich am Pumpeneintritt verfügbare Saughöhe, also der Gesamtdruck am Pumpeneintritt abzüglich des Dampfdrucks der Flüssigkeit.

NPSHr (required): die vom Hersteller angegebene Mindest-Saughöhe, die erforderlich ist, damit die Pumpe ohne Kavitation arbeiten kann.

Um Kavitation zu vermeiden, muss der NPSHa unter allen Betriebsbedingungen stets größer sein als der NPSHr. Bei der Anlagenplanung ist zudem ein Sicherheitszuschlag zu berücksichtigen, um Temperaturvariationen, Höhenlage und Druckverluste auszugleichen.

BERECHNUNG UND MANAGEMENT DES NPSH

Angesichts der Bedeutung dieses Parameters ist es in der Konstruktionsphase notwendig, eine sorgfältige Analyse der Druckverluste in der Saugleitung durchzuführen: Länge der Leitungen, Innendurchmesser, Bögen, Armaturen und Position des Vorratsbehälters müssen bewertet werden.

Ebenso müssen die Temperatur der Flüssigkeit (da sie den Dampfdruck direkt beeinflusst) und die atmosphärischen Bedingungen bzw. die Höhenlage berücksichtigt werden, da diese den verfügbaren Absolutdruck am Pumpeneintritt verringern. All dies definiert den tatsächlichen NPSHa, der der Pumpe zur Verfügung steht. Der Einsatz von Strömungssimulationssoftware und die Unterstützung durch technische Fachkompetenz sind unerlässlich, um Kavitation nicht zu einem dauerhaften Risiko werden zu lassen.

WAHL DES LAUFRADS

Auch die Auswahl des Laufrads ist eine wichtige konstruktive Entscheidung, die Kavitation verhindern oder begünstigen kann. Die Geometrie des Laufrads spielt eine zentrale Rolle: Ein Laufrad, das unter Berücksichtigung der Pumpenkennlinie, der Fördermengen, der Förderhöhen und der Eigenschaften der geförderten Flüssigkeit entwickelt wurde, reduziert Niederdruckzonen, die die Blasenbildung fördern.

Hochentwickelte technische Lösungen – wie jene von CDR Pompe – bieten optimierte Laufradkonfigurationen für extreme Betriebsbedingungen und aggressive Flüssigkeiten und tragen dadurch langfristig zur Reduzierung des Kavitationsrisikos bei.

KONFIGURATION DER SAUGLEITUNG

Die Konfiguration der Saugleitung ist ebenso entscheidend wie die Berechnung des NPSH und die Wahl des geeigneten Laufrads. Zur Minimierung des Kavitationsrisikos werden empfohlen:

• kurze, gerade Leitungen mit ausreichendem Durchmesser und ohne abrupte Querschnittsänderungen;

• Ventile, die so positioniert sind, dass sie keine Niederdruck- oder Turbulenzzonen vor dem Pumpeneintritt erzeugen;

• möglichst wenige enge Bögen und Armaturen, die Druckverluste und lokale Turbulenzen verursachen.

Eine gut ausgelegte Saugleitung erhöht den NPSHa und reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass die Flüssigkeit in Niederdruckbereiche eintritt, wodurch Kavitation wirksam verhindert wird.

KAVITATION KANN ERKANNT WERDEN DURCH

Neben einer sorgfältigen Auslegung und der passenden Auswahl der Pumpenkomponenten ist die rechtzeitige Erkennung von Kavitationsanzeichen entscheidend, um die Lebensdauer der Anlage zu erhalten.

Kavitation kann durch Vibrationsanalyse erkannt werden, die die für implodierende Blasen typischen Frequenzen identifiziert, oder durch akustische Überwachung, die das charakteristische Geräusch (ähnlich dem Durchgang von Kies oder einem „Knistern“) registriert, das durch Mikrostrahlen verursacht wird.

Neben diesen Methoden ist die visuelle Inspektion von Laufrädern und internen Komponenten unerlässlich: gehämmerte Oberflächen, Erosionskrater, Pitting und geometrische Unregelmäßigkeiten an den Laufradschaufeln sind klare Anzeichen für aktive Kavitation. Ein regelmäßiges Überwachungs- und Inspektionsprogramm, unterstützt durch technische Fachkompetenz und moderne Diagnosesysteme von CDR Pompe, ermöglicht ein frühzeitiges Eingreifen, bevor Kavitation zu irreversiblen Schäden oder kostspieligen Produktionsstillständen führt.

PRÄVENTIONSSTRATEGIEN

Wie gezeigt wurde, umfasst die Kavitationsprävention eine Reihe integrierter und kohärenter Maßnahmen, die die Anlagenplanung, die Pumpenauswahl, den Betrieb und die Wartung betreffen.

Erstens ist eine präzise Auslegung des Pumpensystems entscheidend, einschließlich Analyse der Saugbedingungen, des verfügbaren NPSH, der Leitungsführung und der Auswahl geeigneter Materialien.

Zweitens müssen Pumpen korrekt dimensioniert sein: Sowohl eine Über- als auch eine Unterdimensionierung im Verhältnis zum optimalen Betriebspunkt erhöht das Kavitationsrisiko.

Auch bei optimaler Auslegung bleibt die kontinuierliche Überwachung der Betriebsparameter wie Temperatur und Druck essenziell: Hohe Temperaturen erhöhen den Dampfdruck der Flüssigkeit und fördern Kavitation, während ein zu niedriger Saugdruck Kavitation sehr schnell auslösen kann.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die vorbeugende Wartung: verstopfte Filter, Sedimente im Tank, beschädigte Leitungen oder defekte Ventile erhöhen die Druckverluste und begünstigen somit Kavitation.

Schließlich stellt die technische Schulung des Personals einen strategischen Faktor dar: Die frühzeitige Erkennung von Kavitationssignalen ermöglicht ein Eingreifen, bevor das Phänomen zu einem Schaden führt.

BEI CDR ARBEITEN WIR MIT EINEM KLAREN PRÄVENTIONSANSATZ

Durch die Expertise von CDR Pompe – von der Erstberatung über den After-Sales-Service bis hin zu geplanten Maßnahmen der vorausschauenden Wartung – erhalten Betreiber Pumpen, die für die härtesten Einsatzbedingungen ausgelegt sind, können ihre Systeme effektiv überwachen und Kavitation nachhaltig verhindern. Mit einer integrierten Strategie muss Kavitation nicht als unvermeidbares Risiko betrachtet werden, sondern als ein Phänomen, das gesteuert und kontrolliert werden kann.

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