Pompen bij cryogene toepassingen staan bloot aan extreme kou die vrijwel elk onderdeel van de installatie onder druk zet. De grootste uitdagingen liggen bij materiaalkrimp, verlies van smerende eigenschappen van het medium en het falen van afdichtingen door thermische schokken. Dit artikel beantwoordt de meest gestelde vragen over cryogene pompen en de afdichtingsproblemen die daarbij komen kijken.
Welke temperaturen gelden als cryogeen in industriële toepassingen?
In industriële toepassingen spreekt men van cryogene omstandigheden bij temperaturen onder de min 150 graden Celsius. Sommige definities hanteren min 100 graden Celsius als ondergrens, maar de meest gebruikte norm in de procesindustrie is min 150 graden Celsius en lager. Bekende cryogene media zijn vloeibare stikstof (min 196 graden Celsius), vloeibare zuurstof (min 183 graden Celsius) en vloeibaar aardgas, ook wel LNG (min 162 graden Celsius).
Deze temperaturen komen voor in sectoren zoals de lucht- en ruimtevaart, de petrochemie, de voedingsindustrie en de medische industrie. Pompen bij lage temperaturen verwerken deze media in grote volumes, wat betekent dat de installatie continu bestand moet zijn tegen extreme thermische belasting. Zelfs een tijdelijke temperatuurstijging of daling kan al genoeg zijn om onderdelen te beschadigen.
Wat gebeurt er met materialen bij cryogene temperaturen?
Bij cryogene temperaturen krimpen materialen aanzienlijk en verliezen veel metalen en polymeren hun ductiliteit. Staal kan bros worden, rubbers verharden en verliezen hun veerkracht, en de maatvoering van componenten verandert door thermische krimp. Dit heeft directe gevolgen voor de passing en functie van alle bewegende en afdichtende onderdelen in een pomp.
Metalen krimpen bij extreme kou in een voorspelbaar maar significant patroon. Roestvrij staal krimpt minder dan koolstofstaal, maar ook hier is de maatverandering groot genoeg om problemen te veroorzaken in nauwkeurig afgestelde systemen. Aluminium krimpt relatief sterk en is daardoor minder geschikt voor cryogene toepassingen zonder speciale maatregelen.
Polymeren en elastomeren gedragen zich bij lage temperaturen anders dan bij kamertemperatuur. Standaard O-ringen van NBR of EPDM worden hard en broos, waardoor ze hun afdichtende functie verliezen. Dit is een van de redenen waarom de materiaalkeuze bij cryogene afdichtingen zo veel aandacht vraagt.
Waarom zijn mechanical seals extra kwetsbaar in cryogene pompen?
Mechanical seals in cryogene pompen zijn extra kwetsbaar omdat ze afhankelijk zijn van een dunne vloeistoffilm tussen de loopvlakken voor smering en koeling. Bij cryogene media is die film uiterst dun of zelfs afwezig, omdat de vloeistof snel verdampt. Zonder voldoende smering slijten de loopvlakken snel en ontstaat lekkage.
Daarnaast zorgen thermische schokken voor problemen. Wanneer een pomp opstart of stopt, verandert de temperatuur snel. Dit veroorzaakt ongelijkmatige uitzetting en krimp van de sealcomponenten, wat kan leiden tot scheuren in de loopvlakken of het loslaten van de afdichting. Bij cryogene toepassingen zijn deze temperatuurwisselingen extremer dan in standaard industriële processen.
Een ander aandachtspunt is ijsvorming. Vocht in de omgevingslucht kan bevriezen op de koude delen van de seal, wat de werking van de veer en de secundaire afdichting verstoort. Dit probleem doet zich met name voor bij de buitenzijde van de seal, waar condensatie optreedt zodra de pomp in bedrijf is.
Welke materialen zijn geschikt voor cryogene mechanical seals?
Voor cryogene mechanical seals zijn materialen nodig die hun mechanische eigenschappen behouden bij extreem lage temperaturen. Geschikte loopvlakmaterialen zijn siliciumcarbide (SiC) en bewerkt koolstof, omdat deze materialen dimensionaal stabiel blijven en bestand zijn tegen thermische schokken. Voor secundaire afdichtingen gebruikt men bij voorkeur PTFE of speciale cryogene elastomeren in plaats van standaard rubbers.
De keuze van het juiste materiaal hangt af van het specifieke medium en de bedrijfstemperatuur. Hieronder staan de meest gebruikte materialen en hun toepassingsgebied:
- Siliciumcarbide (SiC): Hoge hardheid, goede thermische geleidbaarheid en bestand tegen thermische schokken. Geschikt als loopvlakmateriaal voor de meeste cryogene media.
- Bewerkt koolstof: Zelfsmerende eigenschappen, wat voordelig is bij media met weinig smerende werking. Goed bestand tegen lage temperaturen, mits de juiste koolstofkwaliteit wordt gekozen.
- PTFE: Behoudt flexibiliteit bij lage temperaturen en is chemisch inert. Wordt veel gebruikt als secundaire afdichting in cryogene seals.
- Austenitisch roestvrij staal: Behoudt zijn taaiheid bij lage temperaturen en is daardoor geschikt voor de metalen componenten van de seal.
Materialen die je bij cryogene toepassingen beter kunt vermijden, zijn standaard elastomeren zoals NBR en EPDM, koolstofstaal en aluminium zonder speciale behandeling. Deze materialen verliezen bij extreme kou hun functie of veroorzaken maatproblemen door te sterke krimp.
Hoe worden seal support systems ingezet bij cryogene pompen?
Seal support systems bij cryogene pompen hebben als doel de mechanical seal te beschermen tegen de extreme omstandigheden van het proces. Bij cryogene toepassingen gebruikt men vaak een buffervloeistof of inert gas om de seal te isoleren van het koude medium en om smering en koeling te garanderen. Dit voorkomt dat de seal direct in contact komt met het cryogene medium zonder enige ondersteuning.
Een veelgebruikte aanpak is het toepassen van een dubbele mechanical seal in combinatie met een seal support system op basis van het thermosyphon-principe. Hierbij circuleert een buffervloeistof door convectie langs de seal, wat zorgt voor een stabiele temperatuur en voldoende smering. Dit systeem werkt zonder externe pomp, wat de betrouwbaarheid vergroot.
Bij cryogene pompen is het ook belangrijk dat het seal support system voorkomt dat vocht uit de omgevingslucht bevriest op de seal. Dit kan door het systeem te purgen met droog stikstofgas of door de seal te omgeven met een droge, gecontroleerde atmosfeer. Zo blijft de seal vrij van ijsvorming en functioneert hij betrouwbaar, ook bij langdurig gebruik.
Wanneer is revisie van een cryogene mechanical seal zinvol?
Revisie van een cryogene mechanical seal is zinvol wanneer de seal lekkage vertoont, wanneer de loopvlakken zichtbare slijtage of beschadiging hebben, of wanneer de seal na een thermische schok niet meer goed functioneert. Revisie is ook een goede optie als de originele seal niet meer leverbaar is of als de levertijd van een nieuwe seal te lang is voor de bedrijfscontinuïteit.
Bij cryogene seals is het belangrijk om de revisie te laten uitvoeren door een specialist die de juiste materialen en bewerkingstechnieken beheerst. De loopvlakken moeten worden gelept tot een vlakheid die past bij de eisen van het cryogene proces. Een onvoldoende vlak loopvlak leidt bij lage temperaturen sneller tot lekkage dan bij standaard toepassingen, omdat de vloeistoffilm zo dun is.
Revisie is ook economisch aantrekkelijk. Cryogene seals zijn vaak duur vanwege de speciale materialen en de nauwkeurige bewerking die nodig is. Een goed gereviseerde seal presteert vergelijkbaar met een nieuwe seal, tegen een lagere kostprijs. Dit maakt revisie een slimme keuze voor bedrijven die hun onderhoudskosten willen beheersen zonder in te leveren op betrouwbaarheid.
Hoe wij helpen met cryogene afdichtingen
Bij Qseals hebben we ruime ervaring met mechanical seals voor cryogene toepassingen. We begrijpen dat pompen bij lage temperaturen specifieke eisen stellen aan materialen, maatvoering en ondersteuning. Daarom bieden we een compleet pakket aan diensten en producten dat je helpt om je installatie betrouwbaar te houden:
- Levering van nieuwe cryogene mechanical seals voor alle gangbare merken en typen pompen
- Revisie van gebruikte cryogene seals, inclusief het leppen van loopvlakken tot de vereiste vlakheid
- Advies over de juiste materiaalkeuze voor jouw specifieke medium en temperatuurbereik
- Engineering en modificatie van seals voor toepassingen waarbij standaardoplossingen niet volstaan
- Levering en advies over seal support systems op basis van het thermosyphon-principe
We denken graag met je mee over de meest efficiënte oplossing voor jouw situatie, of het nu gaat om een snelle vervanging of een langetermijnstrategie voor onderhoud. Neem contact met ons op en laat ons je helpen de stilstand van je cryogene installatie tot een minimum te beperken.
