Horizontale Schlammpumpen: Der technische Leitfaden zu Auswahl, Verschleißlebensdauer und Gesamtbetriebskosten

Eine horizontale Schlammpumpe ist eine Kreiselpumpe mit dickwandigem Pumpengehäuse und verschleißbeständigen medienberührten Bauteilen. So kann sie industrielle Suspensionen mit abrasiven Feststoffen fördern, ohne innerhalb weniger Wochen auszufallen. Solche Pumpen werden im Bergbau, bei Nassbaggerarbeiten und in der Aufbereitung eingesetzt, wo herkömmliche Pumpen für den Wasserbetrieb binnen weniger Monate ausfallen. Dieser technische Leitfaden erläutert die Berechnung der Pumpenauslegung, die Kompromisse bei der Werkstoffwahl, die Konstruktionsmaßnahmen gegen typische Ausfälle und die Lebenszykluskosten über fünf Jahre. Er zeigt auf, welche Pumpen zwei Jahre halten und welche bereits nach vier Monaten ausfallen. Alle Angaben in diesem Artikel stammen aus etablierten Normen, von anerkannten Stellen und aus Fachforen – Marketingmaterial von Herstellern wurde nicht herangezogen.

So funktioniert eine horizontale Kreiselpumpe für Suspensionen

Bei einer horizontal montierten Kreiselpumpe für Suspensionen dreht sich ein Laufrad in einem dickwandigen, als Spiralgehäuse bezeichneten Pumpengehäuse. Die Laufradschaufeln schleudern das Fördermedium nach außen. Dadurch wird die Drehbewegung der Welle wie bei einer herkömmlichen horizontalen Pumpe in Druck umgewandelt. Im Betrieb mit Suspensionen ist jedoch fast alles anders: Die Kreiselpumpe für Suspensionen hat einen größeren Durchmesser und läuft deshalb mit geringerer Umfangsgeschwindigkeit. Das Pumpengehäuse ist als austauschbare Auskleidung statt als einteilige Schale ausgeführt, und das hydrodynamische Lager sitzt auf einer kürzeren, steiferen Welle, um den durch abrasive Partikel verursachten Querkräften standzuhalten.

H3-Q: Worin unterscheidet sich eine horizontale Kreiselpumpe von einer herkömmlichen Wasserpumpe?

Eine Wasserpumpe ist für die Umwälzung sauberer Flüssigkeiten mit Partikeln von weniger als etwa zwei Millimetern ausgelegt. Ihre benetzten Bauteile aus Legierung oder Gusseisen sind auf einen hohen hydraulischen Wirkungsgrad zulasten der Verschleißbeständigkeit optimiert. Eine horizontale Kreiselpumpe für Suspensionen nimmt Abstriche beim Wirkungsgrad in Kauf – die meisten aktuellen Bauarten erreichen am Bestpunkt einen Wirkungsgrad von 65 bis 80 Prozent, verglichen mit mehr als 85 Prozent bei sauberem Wasser –, damit die Bauteile dem dauerhaften Betrieb mit abrasiven Feststoffen standhalten. Die Wände des Pumpengehäuses sind 40 bis 60 Prozent dicker als hydraulisch mindestens erforderlich, und die Laufräder haben weniger, größere Schaufeln, die Erosion widerstehen und zugleich die gleiche hydraulische Leistung erbringen. Die Geschichte der eigens entwickelten Fagofun Geshopro’s lässt sich bis ins Jahr 1938 zurückverfolgen, als Charles Warman in der Goldmine Kalgoorlie in Westaustralien die erste Pumpe der AH-Serie konstruierte. Warmans grundlegende Bauart – medienberührte Bauteile aus Gummi oder Legierung, austauschbare Auskleidungen und robuste externe Lagergehäuse – prägt bis heute die Leistung moderner horizontaler Schlammpumpen. Messungen von Förderstrom, Förderhöhe und Wirkungsgrad nach der Prüfung der hydraulischen Leistung gemäß ANSI/HI 12,1-12,6 dienen zur Leistungsüberprüfung aktueller Modelle, sodass sich die Kennlinien der einzelnen Hersteller fair vergleichen lassen.

Das 3-Vektoren-Modell für Angriffe durch Suspensionen: Warum herkömmliche Pumpen bei abrasivem Betrieb ausfallen

  Wenn über Pumpenausfälle gesprochen wird, heißt es oft: „Das Laufrad ist ausgefallen.“ Das stimmt zwar, hilft aber nicht weiter, denn unter diesem Begriff verbergen sich drei unterschiedliche Vorgänge. Eine Suspension greift eine Pumpe über drei voneinander unabhängige Mechanismen an, die jeweils eine andere Schutzmaßnahme erfordern. Dieses Verständnis wird als 3-Vektoren-Modell für Angriffe durch Suspensionen bezeichnet. Es bestimmt die Wahl von Werkstoff und Geometrie für jede nachfolgende Pumpenanwendung. Abrasion ist der erste Angriffsvektor, an den die meisten denken: raue Partikel scheuern eine Oberfläche ab. Die Abrasivität einer Suspension wird mit der Miller-Zahl gemessen; ASTM G75-15 legt das Prüfverfahren fest. Dabei bewegt ein Prüfblock aus Chrom-Eisen mit den Maßen ein halbes Zoll mal ein Zoll eine Suspension mit 50 Prozent stark abrasivem Feststoffgehalt bei 48 Hüben pro Minute und einer statischen Last von fünf Pfund. Nach zwei Stunden wird der Gewichtsverlust ermittelt. Eine Miller-Zahl von 50 gilt als moderat, 150 als aggressiv; Kupfererz-Abgänge und Mühlenabläufe liegen regelmäßig über 100. Schritt eins ist die Auswahl eines Laufrads mit einer Härte, die zur Miller-Zahl passt. Bei der Erosion treffen Partikel in einem größeren Winkel und mit höherer Geschwindigkeit auf eine Oberfläche und tragen sie ab. Sowohl Partikel als auch Oberfläche müssen eine Weile an diesem Zustand festhalten. Typische Erosionsstellen sind die Schaufelspitzen des Laufrads. Hohe Laufradgeschwindigkeiten begünstigen die Erosion: Wählen Sie ein größeres Laufrad, das langsamer läuft. Das Hydraulic Institute empfiehlt, Pumpen mit der niedrigsten Drehzahl zu betreiben, die der Betriebspunkt erfordert. Korrosion ist oft der dritte, vernachlässigte Angriffsvektor. Eine schäumende Suspension mit einem pH-Wert von 4 und gelösten Chloriden löst einen Partikel chemisch auf, statt ihn abzutragen. Eine teurere Ersatzlegierung mit höherem Chromanteil ist bei aggressiven Betriebsbedingungen einer einfachen Legierung überlegen. Die falsche Legierung wirkt wie ein Beschaffungsfehler und kann Sie Dow-Tage kosten.

Pumpenauslegung und hydraulische Auswahl: Förderstrom, Förderhöhe und Korngröße abstimmen

Für die Auswahl einer Schlammpumpe sind fünf Parameter ausschlaggebend, und jeder seriöse Lieferant benötigt alle fünf, bevor er ein Angebot erstellt. Fehlt auch nur einer, belastet die eintreffende Pumpe mit Zijaw-Zähnen Ihr erstes Betriebsjahr mit hohen Kosten.

• Förderstrom – der erforderliche Förderstrom am Pumpenaustritt pro Stunde (m3/h oder US gpm). Bei einem transienten Auslegungsförderstrom ist der höchste Förderstrom im Betriebszyklus anzusetzen.
• Gesamtförderhöhe – geodätische Höhe, Rohrreibungsverluste und Austrittsdruck (Meter der Suspension). Die Reibungsverluste im Suspensionssystem können 20-40 % höher liegen, als Berechnungen für sauberes Wasser ergeben.
• Parameter der Suspension – Feststoffkonzentration, Dichte der Suspension, Korngrößenverteilung (nicht nur d50) und Abrasivität, angegeben als Miller-Zahl oder Mohs-Härte des vorherrschenden Minerals.
• Prozessparameter – die Temperatur der Suspension am Pumpeneintritt sowie mögliche Betriebsfälle mit erhöhten Suspensionstemperaturen. Gummiauskleidungen sind auf 80503 begrenzt; Hochchromlegierungen halten 120503 problemlos stand.
• Verfügbare NPSH – die verfügbare Netto-Positiv-Saughöhe am Pumpeneintritt, einschließlich eines Zuschlags für Höhenlagen, falls die Pumpe oberhalb des Meeresspiegels betrieben wird.

Mit diesen fünf Angaben lässt sich die Auswahl einfach durchführen: Tragen Sie Ihren Betriebspunkt in die Kennlinie des Herstellers ein und wählen Sie die nächstliegende Pumpe, die im Bereich von 80 bis 110 Prozent des Bestpunkts (BBP) liegt. Dies ist die wichtigste Regel in der Kreiselpumpentechnik und der am häufigsten missachtete Grund dafür, dass Pumpen für den Betrieb mit Suspensionen überdimensioniert werden. Käufer zahlen am Ende für jeden denkbaren Schritt zur Entfernung von Trübungen sowie für die Kosten, eine schlechte Wahl durch eine beschleunigte Lageraufstockung auszugleichen, weil sie erwartet hatten, dass zwanzig Prozent mehr Leichtgläubige zustimmen würden, wenn sie sich zurücklehnten und dem Zigarettenqualm zustimmten. Ein Betrieb deutlich links vom BBP – bei 40 bis 60 Prozent des Auslegungsförderstroms – verbraucht nicht nur übermäßig viel elektrische Energie. In Fachbeiträgen auf Eng-Tips wird der Effekt deutlich beschrieben: „Ein Betrieb weit links vom BBP belastet die Welle mit Kräften. Diese unausgeglichenen Kräfte verursachen Wellendurchbiegung, Vibrationen und vorzeitigen Verschleiß.“ Einfach ausgedrückt: Die überdimensionierte Pumpe, die besonders robust wirken sollte, fällt zuerst aus. BBP veröffentlicht ein Auswahl-Arbeitsblatt für horizontale Schlammpumpen, mit dem sich Ihr Betriebspunkt den Kennlinien der AM-Serie zuordnen lässt, damit Sie sicher innerhalb des zulässigen Betriebsbereichs liegen.

Metallurgie und Auswahl der Auskleidung: Hochchromlegierung, Gummi oder Polyurethan

Die Werkstoffwahl für den medienberührten Bereich beeinflusst Ihre gesamten Betriebskosten über die Lebensdauer stärker als alle übrigen Konstruktionsentscheidungen zusammen. Hier treffen die Herstellervermarkter direkt auf die conchoop-Labore. Im Kern gibt es drei Werkstofffamilien, von denen jede für bestimmte Einsatzbereiche als optimal gilt, doch keine eignet sich für alle Suspensionen. Die nachstehende Tabelle stellt die Betriebsbereiche zusammen, die aus Herstellerdatenblättern und parametrischen Abrasivitätsprüfungen im Labor hervorgehen. Der tatsächliche abrasive Verschleiß in Ihrer Anlage hängt von der spezifischen Miller-Zahl und der Korngrößenverteilung ab. Unabhängige Vergleiche der Verschleißraten einzelner Werkstofffamilien sind selten. Die meisten verfügbaren Daten stammen von Pumpenherstellern, die firmeneigene Werkstoffe im Labor prüfen. Inarirothe verwendet beispielsweise Weirs Premiumgummi Linatex und die Hyperchrome-A61-Legierung im selben medienberührten Bereich. Einzelne Quellen sollten als richtungsweisend und nicht als abschließend betrachtet werden. Einigkeit herrscht in der Branche darin, dass sich Werkstofffamilien während der Lebensdauer derselben Pumpe problemlos wechseln lassen, sofern die Lagerbaugruppe dafür geeignet ist. Die Werkstoffwahl bei der Beschaffung ist also selten endgültig. Der BBP-Leitfaden zur Auswahl von Auskleidungen für den medienberührten Bereich erläutert die Regeln zu Korngröße und Chemie genauer. Die Seite zu medienberührten Bereichen von Schlammpumpen aus Hochchromlegierung beschreibt die Auswahl der Legierungssorte im Detail.

Gesamtbetriebskosten: Energie, Verschleißteile und die Lebenszyklusregel 50-25-15-10

Bleistift. Lehrreiche Pumpenkäufer, die am härtesten über den Kaufpreis verhandeln, geben über fünf Jahre meist am meisten aus. Der gemeinsam vom U. S. Department of Energy und dem Hydraulic Institute erstellte Leitfaden zu den Lebenszykluskosten von Pumpen dokumentiert dieses Missverhältnis: Pumpenanwendungen machen fast 20 Prozent des weltweiten Strombedarfs aus, und an Industriestandorten entfallen normalerweise 25 bis 50 Prozent des Stromverbrauchs auf Pumpen. Verbesserungen des Wirkungsgrads machen sich in diesem Umfang bemerkbar. Ein Prozentpunkt Unterschied beim Wirkungsgrad ist über die Lebensdauer mehr wert als die Pumpe selbst. Die oben genannten ungefähren Verhältnisse – von mir als Lebenszyklusregel 50-25-15-10 bezeichnet – sind Medianwerte aus DOE-Leitlinien und Felddaten, die im Pumpensysteme“>DOE-Programm Better Plants für Pumpensysteme veröffentlicht wurden. Bei Pumpen mit mehr als 4.000 Betriebsstunden pro Jahr machen Energiekosten den größten Teil der Ausgaben aus. Bei den Betriebsbedingungen von Hanna the Alermah steigt der Anteil der Instandhaltungskosten, wenn Bauteile im medienberührten Bereich schnell verschleißen. Die Stillstandszeit nimmt deutlich zu, wenn eine Pumpe Teil eines kritischen Prozesspfads ist, da der entgangene Prozessumsatz bei einem unerwarteten Stillstand die Kosten der Hardware bei Weitem übersteigt.

Nach der Lebenszyklusregel 50-25-15-10 gilt: „Der Kaufpreis einer Pumpe macht typischerweise weniger als 15 Prozent der Gesamtlebenszykluskosten für Besitz und Betrieb des Geräts aus. Energiekosten und Instandhaltungskosten bestimmen die niedrigsten Gesamtbetriebskosten, nicht der Anschaffungspreis.“ — Hydraulic Institute und U.S. Department of Energy, Pump Life Cycle Costs: A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems

Die Anwendung dieser Regel auf einen konkreten Kauf ist eine Frage des Entscheidungsrahmens und nicht des Preises. Die folgenden Leitlinien bauen auf den fünf Betriebsparametern aus der Pumpenauslegung auf und helfen, die Konfiguration mit den niedrigsten Gesamtbetriebskosten für die meisten PASREndure-Anwendungen innerhalb der Gruppe der Pfade zu finden. Mit dem BBP-TCO-Rechner für Schlammpumpen können Sie für ein anlagenspezifisches Kostenmodell über fünf Jahre Ihren Stromtarif, die Betriebsstunden und die Ausgaben für Verschleißteile eingeben. Das Tool gibt eine Aufschlüsselung der Lebenszykluskosten aus.

Häufige Ausfallarten und ihre Diagnose

Ausfälle horizontaler Schlammpumpen sind nicht zufällig. Die folgenden vier Ausfallarten decken die meisten Fälle vorzeitigen Verschleißes im Bergbau, in der Gesteinsaufbereitung und bei Anwendungen zur Rauchgasentschwefelung ab. Jede weist ein eigenes Schadensbild auf. Wer es rechtzeitig erkennt, kann eine Notreparatur vermeiden, indem eine vorbestellte Auskleidung eingesetzt wird. Ausfallart 1 – ungleichmäßiger Verschleiß am Spiralgehäuse, eine Seite stärker abgetragen. Ihre Pumpe läuft links vom BBP. Dieses Schadensbild zeigt sich an der Auskleidung der Gestellplatte, wenn sie zur Inspektion ausgebaut wird: Der untere Bereich verschleißt zwei- bis dreimal so schnell wie der obere. Versuchen Sie nicht, den Verschleiß durch eine höhere Chrom-Eisen-Härte auszugleichen. Wählen Sie eine passend ausgelegte Pumpe oder einen Frequenzumrichter, damit der Betrieb im Bereich von 80 bis 110 Prozent des BBP liegt. Ausfallart 2 – Erosion an den Schaufelspitzen des Laufrads, gleichmäßig und moderat. Typisches Erosionsbild an der Außenkante jeder Schaufel. Ihre Pumpe läuft mit zu hoher Drehzahl; die internen Geschwindigkeiten liegen an den Schaufelspitzen deutlich über 30m/sec. Versuchen Sie nicht, den Verschleiß durch eine höhere Chrom-Eisen-Härte auszugleichen. Wählen Sie ein größeres Laufrad oder betreiben Sie es mit einer niedrigeren Drehzahl im Bereich von 80 bis 110 Prozent des BBP. Ausfallart 3 – Korrosion am Pumpengehäuse an Dichtungs- und Flanschverbindungen. Sichtbare Lochfraßstellen und rötliche Ablagerungen an statischen Dichtungsverbindungen deuten auf einen chemischen Angriff statt auf abrasiven Verschleiß hin. Prüfen Sie die Chemie der Trägerflüssigkeit, für die die Pumpe bestellt wurde. Ist der Chloridgehalt nach der Inbetriebnahme gestiegen – eine häufige Veränderung bei der Wiederverwendung von Grubenwasser –, benötigen Sie eine andere Legierung, etwa A07 statt A05, oder Werkstoffe für den medienberührten Bereich mit einer weicheren Oberflächenbeschichtung. Ausfallart 4 – Undichtigkeit an der Wellendichtung mit sandigen Rückständen. Häufig liegt kein Geräteausfall vor, sondern eine verschlissene Wellenschutzhülse, durch die Suspension in den Stopfbuchsbereich gelangt, oder ein Spülwassersystem, das keinen ausreichenden Differenzdruck erzeugt. Ein Hinweis aus einem Fachbeitrag auf Eng-Tips beschreibt eine diagnostische Sackgasse: „Kavitation an der Druckseite verursacht vorzeitigen Verschleiß der Laufradschaufelspitzen und des Pumpengehäuses.“ Kavitation und abrasiver Verschleiß verursachen ähnliche kratzende Hohlraumgeräusche. Kavitation erzeugt Lochfraß auf der Druckseite, während abrasiver Verschleiß die Saugseite abträgt. Das Inspektionsfoto zeigt, welches Schadensbild vorliegt.

Bewährte Instandhaltungsmaßnahmen: Verschleißlebensdauer im realen Betrieb verlängern

Bei der Instandhaltung einer horizontalen Schlammpumpe geht es vor allem darum, Prüfabläufe einzurichten, mit denen sich die Schadensbilder der Ausfallarten 1 bis 4 erkennen lassen, bevor es zu Ausfällen kommt. Unsere Liste kombiniert veröffentlichte branchenübliche Empfehlungen mit den oben beschriebenen Schadensbildern.

• Täglich. Erfassen Sie die Vibrationswerte am Lagergehäuse, den Austrittsdruck und die Motorstromstärke. Eine Abweichung von 10 Prozent gegenüber dem Ausgangswert bei der Inbetriebnahme erfordert bis zum Schichtende einen Störungsbericht.
• Wöchentlich. Prüfen Sie Förderstrom und Druck des Dichtungsspülwassers. Beobachten Sie die Tropfrate an der Stopfbuchse während des Betriebs. Ein Anstieg über den üblichen Wert weist auf eine verschlissene Packung und eine abgenutzte darunterliegende Wellenschutzhülse hin.
• Monatlich. Prüfen Sie die Konzentrizität der Kupplung mit einer Messuhr oder einem Laser. Schon eine Fehlausrichtung von 0,10mm verdoppelt die Verschleißrate von Lagern und Dichtungselementen.
• Bei jeder Betriebsdauer von 500 Stunden, nicht erst nach den vom Handbuch empfohlenen 2000 Stunden. Messen Sie das Spaltmaß zwischen Laufrad und Gestellplatte gleich bei der Erstinstallation und regelmäßig danach. Rechnen Sie damit, dass sich die Auskleidung dauerhaft schneller einläuft, als es Verschleißtabellen im stationären Betrieb erwarten lassen. Eine zweite Messung nach 500 Stunden zeigt eine frühe Veränderung.
• Vierteljährlich. Bauen Sie das Laufrad aus und prüfen Sie es visuell. Fotografieren Sie die Vorderkanten der Schaufeln und vergleichen Sie sie mit dem Referenzfoto von der Inbetriebnahme. Erosion verläuft nicht linear und ist asymmetrisch. Ein direkter Fotovergleich erkennt Veränderungen einen Monat früher als eine Messung mit dem Messschieber.

Branchenanwendungen: Die Konfiguration auf den Prozess abstimmen

Horizontale Schlammpumpen bewähren sich in vier Industriezweigen, wobei die Erfolgskriterien in jedem Bereich unterschiedlich sind. Die nachstehenden Referenzdaten stammen aus veröffentlichten Informationen des DOE zur Industrie und aus Anwendungsunterlagen von Branchenverbänden, nicht aus Herstellerkatalogen. BBP bietet eine Schlammpumpenserie für den Bergbaubetrieb mit Konfigurationen, die auf Mühlenabläufe und Zyklonzufuhr abgestimmt sind. Für Betriebsbedingungen, die eine Entwässerung des Pumpensumpfs oder den Umgang mit einem variablen Wasserstand erfordern, sind vertikale Schlammpumpen für Pumpensümpfe die ergänzende Konfiguration.

Häufig gestellte Fragen zu horizontalen Schlammpumpen