Effektive Schwingungsüberwachung für Kolbenverdichter

Betreiber, Engineering‑Beschaffungs‑ und Bauunternehmen (EPCs) sowie Maschinenhersteller (OEMs) halten während der finalen Planungs- und Beschaffungsphase stets die jeweils gültigen Richtlinien und Standards ein.

Ein Blick auf die Altersstruktur der weltweiten Kolbenkompressoren zeigt jedoch, dass viele dieser großen, prozesskritischen Maschinen seit Jahrzehnten unverändert im Einsatz sind und nie ersetzt wurden. Zahlreiche Anlagen laufen heute noch mit Kompressoren, die aus einer Zeit stammen, in der moderne Überwachungs- und Schutzkonzepte weder verfügbar noch gefordert waren.

Um nachvollziehen zu können, warum trotz zahlreicher schwerer Schadensfälle bei vielen dieser Maschinen weiterhin ein unzureichender Maschinenschutz vorhanden ist, lohnt sich ein Blick auf die historische Entwicklung der einschlägigen Standards. Erst dadurch wird erkennbar, warum bestimmte Schutzprinzipien in älteren Anlagen fehlen – und weshalb sie heute dringend modernisiert werden müssen.

Die im November 2014 veröffentlichte fünfte Ausgabe der API 670 liefert umfassende Richtlinien zum effektiven Schutz von Kolbenkompressoren. Eine wesentliche Weiterentwicklung ist die Aufnahme der Kreuzkopf-Beschleunigung als anerkannten Sicherheitsabschaltparameter. Auf diesen Schritt haben sich sowohl Nutzer als auch Hersteller von Maschinenschutzsystemen verständigt – ein bedeutender Fortschritt für die Betriebssicherheit.

Die API 670 gilt heute als das maßgebliche Referenzdokument für den Maschinenschutz von Kolbenkompressoren. Zusätzlich empfiehlt die Norm die Überwachung der Kolbenstangenlage als verlässliche zweite Sicherheitsebene. Diese Kombination ermöglicht ein deutlich zuverlässigeres Erkennen kritischer Betriebszustände und erhöht die Sicherheit der Anlage und des Personal gleichermaßen.

Zahlreiche Kolbenverdichter sind mit Maschinenschutzsystemen ausgestattet, die ursprünglich für Zentrifugalmaschinen entwickelt wurden. Zwei der am weitesten verbreiteten Methoden, die man bei älteren Kolbenmaschinen findet, sind Gehäuseschwingungen, gemessen als Geschwindigkeit, und die Messung der Kolbenstangenlage.

Viele Betreiber von Verdichtern bestätigen die Ungenauigkeit dieser veralteten Systeme, um vor den am meisten gefürchteten Verdichter-Schäden zu schützen, wie dem Bruch von Kolbenstangen, dem Festfressen von Pleuellagern und weiteren Ausfallarten, die in einigen Fällen zu einem Austritt gefährlicher Stoffe führen. Während altmodische Systeme oft versäumen, die Entwicklung katastrophaler Schäden rechtzeitig oder überhaupt zu erkennen, berichten Anwender regelmässig von einer Geschichte von Fehlabschaltungen aufgrund von vorübergehenden Prozessspitzen oder einmaligen, unkritischen Schlägen.

Folglich ziehen Betreiber häufig in Betracht, ihr veraltetes Schutzsystem zu deaktivieren und ihr Vertrauen auf bewährte Wartungspraktiken sowie auf das robuste Maschinendesign zu setzen. Es ist wichtig, den Unterschied zwischen einer gleichförmigen Drehbewegung einer Turbinenwelle und einer Kolbenhubbewegung zu verstehen. Maschinen mit einer gleichförmigen Rotation zeigen typischerweise nahezu keine Wellenbiegung pro Zyklus, verfügen über eine solide, steife Verbindung zum Boden und es sind praktisch keine Gehäusevibrationen messbar.

Im Gegensatz dazu zeigt ein Kolbenverdichter ein ganz anderes Verhalten, das einen anderen Überwachungsansatz erfordert. Kolben werden von Kreuzkopf-Antriebssträngen hin und her bewegt, wobei die Kräfte der Kolbenstange von Zug- in Druckkräfte umgekehrt werden, was dazu führt, dass der gesamte Maschinenrahmen mit all seinen Bauteilen in erheblichem Masse vibriert und sich verbiegt. Saug- und Auslassventile erzeugen Schläge beim öffnen und schliessen, die Schwingungsamplituden auf der gesamten Maschine hinterlassen – und wir nennen dies einen normalen Betriebszustand.

Beim Vergleich der Funktionsprinzipien eines Kolbenverdichters mit einer Zentrifugalmaschine wird deutlich, dass eine Kolbeneinheit einen spezielleren Überwachungsansatz benötigt, der darauf ausgelegt ist, alle besonderen Herausforderungen, die Kolbenmaschinen mit sich bringen, zu bewältigen.

Betrachtet man das Funktionsprinzip von Hubkolbenmaschinen, so ist der Kreuzkopf eindeutig der Mittelpunkt. Hier wird die Drehbewegung der Kurbelwelle in eine hin- und hergehende (lineare) Bewegung der Kolbenstange umgewandelt. Er ist die zentrale Komponente, über die alle Hauptkräfte über den recht komplexen Kreuzkopfbolzen/Gelenkbolzen auf die Kolbenstange übertragen werden. Um diese Kräfte in die richtige Richtung zu lenken, ist eine solide Kreuzkopf-Führung ein integraler Bestandteil jedes Kolbenverdichters. Die Kreuzkopf-Führung ist die direkteste Verbindung des bewegten Antriebsstrangs zum Gehäuse und der beste Ort, um Schwingungssensoren zu installieren.