Download het artikel in 
ENGINEERINGNET - Een mechanical seal is eigenlijk altijd een compromis. Bij de selectie ervan is dan ook niet alleen de keuze van de materialen belangrijk, maar het is ook essentieel om zaken als standaardisatie, omgevingsparameters, gewenste mate van beheersbaarheid en veiligheid in ogenschouw te nemen.
Indien één of meerdere van deze factoren namelijk een rol spelen, is het zeer wel denkbaar dat uiteindelijk gekozen worden voor een andere combinatie van materialen. En ondanks het feit dat elke mechanical seal dus op een zeer doordachte wijze wordt samengesteld, zijn faaloorzaken lang niet altijd logisch te verklaren.
Zo bleek onlangs nog maar eens in de praktijk toen twee volledig identieke mechanical seals gemonteerd werden op een schip, onder exact dezelfde omstandigheden. Omdat deze seals een nieuw ontwerp hadden, vond de eigenaar van het schip het belangrijk dat na een periode van 3 maanden gekeken zou worden of de gekozen oplossing de juiste was.
De uitkomst was uitermate verrassend. De ene seal bleek nog helemaal in orde te zijn en bij de andere seal was één van de loopvlakken gescheurd. Lekkage was er nog niet. Om geen risico te nemen is toen besloten om de loopvlakken van de beide seals verder te optimaliseren, teneinde ze minder kwetsbaar te maken. Dit is gerealiseerd omdat dergelijke afdichtingen een jarenlange standtijd moeten hebben.
Scheefstand
Scheefstand is bij mechanical seals onvermijdelijk, omdat seals bestaan uit twee of meerdere loopvlakken die tegen elkaar aan staan. Het ene loopvlak draait mee met de as en de andere staat stil en neemt de stand aan van de voorzijde van de sealkamer; een roterend en een stationair deel dus.
Om ervoor te zorgen dat de loopvlakken in alle gevallen tegen elkaar blijven staan, dient dus bij elke mechanical seal een verend element te worden toegepast. Dit leidt ertoe dat het roterende deel van de seal de stand van de as aanneemt en dat het stationaire deel de stand van de sealkamer aanneemt die nooit helemaal haaks is.
De sealkamer bestaat namelijk uit aan elkaar gebouwde materialen die bijvoorbeeld onderhevig aan temperatuur uitzetten of krimpen. Met behulp van een verend element is deze ‘natuurlijke’ scheefstand dus oplosbaar en kan lekkage worden voorkomen.
Omdat lekkage als gevolg van scheefstand niet mag worden onderschat even een eenvoudig rekenvoorbeeld: bij een pomp met een toerental van 3.000 omwentelingen per minuut ontstaat per 24 uur zo’n 8 miljoen keer een scheefstand die gecorrigeerd dient te worden.
Kijkende naar dit rekenvoorbeeld is het dan ook niet verwonderlijk dat allerlei soorten slijtage tot deze scheefstand kunnen worden teruggeleid.
Desalniettemin blijft het zoeken naar de faaloorzaak soms buitengewoon lastig. Het ontstane schadebeeld kan in veel gevallen al een aardige indicatie zijn.
Slijtagebeeld
Alle onderdelen van een mechanical seal (lees: metalen delen, loopvlakken en elastomeren) kunnen een slijtagebeeld laten zien, dat inzicht kan geven in de mogelijke faaloorzaak.
Zo kunnen metalen delen aangetast, verkleurd of beschadigd zijn. Aantasting van metalen delen is een indicatie voor chemische aantasting ofwel pitting corrosie. Zijn de metalen delen daarentegen blauw verkleurd dan is dat meestal een gevolg van een pomp die droog gedraaid heeft.
Behalve dat de elastomeren daardoor kunnen smelten, kan dit ook tot extra slijtage op het loopvlak leiden. Beschadigingen op de metalen delen ontstaan meestal door metaal contact, kristallisatie of uitharding van de te verpompen vloeistof.
Zelfs is het mogelijk dat beschadigde metalen delen het gevolg zijn van het feit dat ze niet goed hebben vastgezeten of mogelijk zijn los getrild tijdens het productieproces.
Loopvlakken
Een mechanical seal bestaat altijd uit twee loopvlakken. Een hard en een zacht ofwel opofferend loopvlak.
Zowel aan de binnen- als buitenzijde kunnen deze loopvlakken scheef afgesleten zijn. Van slijtage is sprake als het loopspoor op het smalle loopvlak in het roterende deel afwijkt van het stationaire deel.
Om de exacte faaloorzaak te kunnen achterhalen moeten de loopspoorsymptomen grondig onder de loep worden genomen. Elk loopspoor heeft namelijk typische kenmerken.
Als het loopspoor op het stationaire deel breder is dan op het roterende deel bijvoorbeeld, is sprake van radiale speling door bijvoorbeeld asdoorbuiging.
Een dergelijk loopspoor kan ontstaan als productieprocessen in de loop der tijd worden aangepast, bijvoorbeeld om een hogere capaciteit te realiseren of als een productielijn wordt omgebouwd om een ander product te maken.
In dit soort situaties wijkt de performance van de pomp vaak af van het oorspronkelijke, optimale efficiëntiepunt en dat is het begin van onnodige slijtage. In de regel geldt: hoe goedkoper de pomp, hoe meer asdeflectie.
Is het loopvlak in het stationaire deel smaller dan in het roterende deel dan wil dat zeggen dat het roterende loopvlak uit vlakheid is getrokken.
Gecentreerd of niet
Essentieel bij onderzoek naar loopspoorsymptomen is verder om na te gaan of het loopvlak wel of niet gecentreerd is.
Als gevolg van een verkeerde montage is het namelijk zeer wel mogelijk dat men vergeten is om het stationaire loopvlak te centreren. Sinds de komst van cartridge-seals is dit probleem door fabrikanten ondervangen.
Alle delen van zo’n cartridge-seal (lees: het stationaire en roterende deel) zijn namelijk in de fabriek reeds in één houder samengebouwd, waardoor uitlijnen bij deze seals niet meer nodig is.
Volstaan kan worden met het eenvoudigweg verwijderen van montageclips of tie wraps.
Belangrijk is verder om na te gaan of de loopsporen een gelijkmatige afdruk geven. Een oneven wichtig loopspoor kan duiden op een verkeerde montage, te weinig veerspanning, te weinig of teveel vlaktedruk, drukstoten of consequent teveel druk.
Erosie, chipping en blistering
Een ander regelmatig voorkomend probleem bij een defecte mechanical seal is erosie. Erosie ontstaat onder andere doordat er zand of ander vuil tussen de loopvlakken komt.
Dit probleem is over het algemeen relatief eenvoudig te herkennen omdat er door erosie extreme, ongelijkmatige schade ontstaat op de loopvlakken. Hetzelfde geldt voor ‘chipping’.
Bij chipping breken er stukjes uit zowel het harde als het zachte loopvlak. Chipping is veelal het gevolg van cavitatie of vibratie. Vibratie ontstaat doordat de twee loopvlakken van de seal tegen elkaar aanklappen met een regelmatig constant ritme.
En dan is er ook nog ‘blistering’. Bij blistering breken stukjes uit het carbon loopvlak door bijvoorbeeld oververhitting. Om blistering te voorkomen is een goede materiaalkeuze essentieel.
Als de mechanical seal wordt ingezet in combinatie met hete olie bijvoorbeeld, is het verstandiger om te kiezen voor een loopvlak van silicium carbide of tungsten carbide in plaats van carbon.
Ook is het niet raadzaam om de beide loopvlakken te vervaardigen van een en hetzelfde materiaal. Dit leidt namelijk tot slechte warmte-afgifte en een niet optimale standtijd. Alhoewel in sommige gevallen dit voor lief genomen moet worden.
Elastomeren
Evenals als bij de metalen delen en de loopvlakken van de mechanical seal kan ook bij de elastomeren het een en ander fout gaan. Los van een verkeerde selectie, kan een o-ring bijvoorbeeld op diverse manieren worden aangetast.
Zo kan een o-ring onder andere vierkant worden, scheuren, twisten of vervormen. De eerstgenoemde situatie doet zich voor als een o-ring zwaar overbelast wordt qua druk, een te hoge temperatuur of chemisch wordt aangetast omdat de geselecteerde o-ring daar niet tegen bestand is. De o-ring neemt in dat geval de vorm van de groef aan.
Een ander probleem dat zich bij o-ringen kan voordoen is extrusie. Dit is meestal het gevolg van overdruk, teveel beweging of een verkeerde ontwerpkeuze.
Zo kan bijvoorbeeld een o-ring met een verkeerde hardheid geselecteerd zijn. In alle gevallen wordt bij extrusie de o-ring uit de groef gedrukt, waardoor deze klem komt te zitten en vervormd of beschadigd raakt.
Is de o-ring gescheurd dan wijst dit op decompressieproblemen. Bijvoorbeeld doordat stoom in het materiaal is binnengedrongen. Als het betreffende materiaal dan verzadigd raakt, dan kan dat in het ergste geval leiden tot een explosie in de o-ring.
Bij shutdowns is een gescheurde o-ring ook vaak een gevolg van chemische aantasting in combinatie met hoge temperaturen. Bij temperaturen hoger dan 300°C is het verstandiger om een mechanical seal in te zetten zonder o-ring, bijvoorbeeld een metalen balg seal.
Tot slot
De mogelijke faaloorzaken van een mechanical seal hebben hierboven in vogelvlucht de revue gepasseerd. Aan de hand van deze checklist kan relatief eenvoudig een eerste grove inschatting gemaakt worden over de mogelijke redenen waarom een pomp defect is gegaan.
Om het zeker te weten blijft het echter noodzakelijk om bij binnenkomst van een defecte pomp grondig onderzoek te doen naar de defecte seal of het lager. In beide gevallen moet de oorzaak van het probleem worden opgelost, zodat de levensduur van de pomp fors kan worden verlengd en aanzienlijk bespaard kan worden op kosten.
In de praktijk heeft de hier beschreven handelswijze bedrijven al vele duizenden tot tienduizenden euro’s per pomp opgeleverd. Beslist de moeite van het onderzoeken waard dus.
(foto's: Sellon)
door Wim van Steenis, directeur/eigenaar Sellon BV
