Eine optimale Lagerwahl kann die Gebrauchsdauer eines Lagers verlängern und die Kompressorleistung verbessern

Die Verwendung von Schrau­benverdichtern in Erdgasanlagen hat in den letzten zehn Jahren ständig zugenommen, und dieser Trend hält weiter an. Das ist vor allem auf die niedrigeren Gas­drücke in vielen älteren Erdgasfeldern zurückzuführen, die Installation und Betrieb von Kolbenkompressoren unrentabler machen. Gegenwärtig findet man Schraubenverdich­ter sowohl in Süßgas- (enthält kein H₂S) als auch in Sauergas­an­lagen (mit H₂S). Sie sitzen am Bohrlochkopf, fördern Erdgas aus dem Boden und erhöhen den Druck zur Ein­spei­sung von Gas in die Pipelines. Mit dem zunehmenden Einsatz von Schraubenverdich­tern wächst auch die Bedeu­tung einer wichtigen Verdichter­kom­ponente, nämlich des Wälzlagers. Für die Leistung eines Schrau­benverdichters spielen die Lager eine entscheidende Rolle. Lagerbedingte Probleme können nämlich die Zuverlässigkeit eines Kompres­sors beeinträchtigen und im Extremfall zu katastrophalen Defekten und zum Zwangsabbruch der Gas­produktion führen. Bohr­löcher und Abgas­wäsche­stationen liegen oft in abgelegenen, unwegsamen Gegenden, was die Reparaturen schwierig und teuer macht. Obwohl manchmal Standby-Kompress­o­ren zur Verfügung stehen, müssen auch diese zur Vorbeu­gung ernsthafter Probleme gewartet werden.

 

Deshalb tunzuverlässigkeits­be­wusste Experten der Gas­indust­rie und Bohrlochbe­treiber gut daran, lagerbedingten Prob­le­men vorzubeugen. Ein erster wichtiger Schritt ist, sich mit den Grundzügen der Lager­funk­tion in Schraubenverdich­tern vertraut zu machen und sich über die Spezifikation der richtigen Lageranordnung, -typen und -werkstoffe für Verdichter­anwendungen zu informieren.

Bei Doppelschraubenverdichtern drehen sich zwei ineinandergreifende Rotoren im Verdichtergehäuse in ent­gegengesetzer Richtung. Vom Saugstutzen wird das Gas in eine Kammer zwischen der Gehäusewand und den beiden Rotoren gesogen. Wenn sich die Rotoren drehen, verkleinern sich die Kammern stetig, das Gas wird komprimiert und tritt allmählich aus. Erdgasfeldver­dichter werden in der Regel von Gasmotoren betrieben, entweder direkt oder über ein Getriebe.

Die Funktion von Wälzlagern in Schraubenverdichtern besteht darin, die Verdichterrotoren präzise radial und axial zu posi­tionieren und die Rotorlasten angemessen zu unterstützen. Die Lager befinden sich jeweils auf der Saug- und auf der Druck­­seite; in Anzahl und Kon­figuration variieren sie je nach Last und Anwendungsvorgaben.

 

In der Regel sitzenzwei Zylinderrollenlager am Saugstutzen und unterstützen je einen Verdichterrotor. Ein zweites Paar Zylinderrollenlager sitzt am Druckstutzen. Einige Ver­dichter haben Gleitlager zur radialen Unterstützung. Die Druckseite hat zwei oder mehr Axiallager, wobei es sich normalerweise um einreihige Schrägkugellager oder Vierpunkt­lager (QJ-Lager) handelt. Diese Lager unterstützen ausschließlich Axiallasten.

Bei der Gasverdichtung steigt die Temperatur. In den Verdichtungsraum eingespritztes Öl schmiert die Schrauben, dichtet Leckagen ab und kühlt das Gas. Nach dem Austritt zusammen mit dem kompri­mierten Gas und nach der Trennung schmiert dasselbe Öl die Lager und kühlt sie.

Die Betreiber müssen sich der Risiken bewusst sein, die durch Injektion von zu viel Öl in Schraubenverdichtern entstehen. Erdgas besteht aus einer Mischung aus Gasen und normalerweise Wasserdampf, manchmal auch Säuren und Schwefelwasserstoff. Über­mäßige Ölinjektion kann zu übermäßiger Kühlung führen, mit Wasser- und Säurekonden­sation als Folge. Die Kondensate vermischen sich mit dem Öl und beeinträchtigen die Lagerschmierung, führen zu Korro­-sion und können so Lager­defekte verursachen.

Das Öl muss die richtige Viskosität haben und darf keine emulgierenden Additive enthalten. Öle für Motorkur­belgehäuse sind in der Regel nicht als Kompressoröle geeignet. Es müssen regelmäßig Ölproben genommen und auf Degradation, Viskosität und Wassergehalt hin untersucht werden.

 

Erdgas enthältzudem Fest­-stoffe, die Lager und andere Komponenten beschädigen können. Zur entsprechenden Vorbeugung müssen die Kompressoren mit effizienten Ölfiltern ausgerüstet sein.

Saures Erdgas, das reich an Schwefelwasserstoff (H₂S) ist, stellt ein besonders schwieriges Problem dar. Bei gehärteten Stählen und anderen Werk­stoffen mit Restspannungen können schwefelbedingte Spannungsrisse auftreten. Hierbei handelt es sich um ein für niedrige Spannungsverhält­nisse recht typisches Spröd­bruchphänomen. Zudem kann sich Schwefelwasserstoff mit Wasser verbinden und korrosive Schwefelsäure (H₂SO₄) bilden.

Lagerkäfige sollten immer aus spannungsfreien Werkstoffen hergestellt sein, damit keine schwefelbedingten Spannungs­risse auftreten. Bohrlochbetrei­­ber müssen bei der Spezifika­tion von Kompress­orlagern sehr sorgfältig bei der Käfigwerk­stoffwahl sein.

Polyamidkäfige aus glasfaserverstärkten Spritzgusspolymer sind eine denkbare Lösung. Diese Käfige haben sich bereits erfolgreich in Sauergasanwen­dungen mit Betriebstempera­turen von bis zu 70 °C bewährt. Höhere Temperaturen können jedoch zu einer vorzeitigen Alterung von Polyamiden führen. Jetzt bietet sich allerdings eine neue Lösung in Form von PEEK an, einem polymeren Werkstoff mit überragender Temperatur- und Alterungsresi­s­tenz. PEEK eignet sich nicht zuletzt auch dank seiner niedrigen Reibung und geringen Verschleissrate hervorragend als Käfigmaterial in Lageranwen­dungen mit Mangelschmierung.

 

Traditionell hatdie Erdgasin­du­strie bisher wegen der poten­tiellen Gefahr von schwefelbe­d­ingten Spannungsrissen von der Verwendung von Messing und anderen „gelben“ Metallen in Verdichtern und Pipelines abgesehen. Bei eigenspannungs­freiem Messing dagegen besteht keine Gefahr von Spannungs­rissen. Massivkäfige aus Messing-Schleudergussrohren weisen keine Eigenspannungen auf. Etliche einreihige Schräg­kugellager, Vierpunktlager und Zylinderrollenlager sind mit diesem Käfigtyp erhältlich. Obwohl eigentlich unüblich in der Industrie, bauen einige Hersteller von Schraubenver­dichtern seit Mitte der 1980er Jahre erfolgreich solche Messingkäfige für Sauergas-Kompressorlager ein.

Käfige aus Messingblech sind für Sauergasverdichter ungeeignet, da der Pressvorgang Eigenspannungen im Material hinterlässt.

Die Betreiber von Verdichtern fragen normalerweise Stahl­massivkäfige an. Obwohl bei Massivstahl keine Spannungsrisse auftreten, besteht ein größeres Risiko, dass es zu Metall-Anschmierungen zwischen Käfigtaschen und Wälzkörpern kommt, besonders bei marginaler Schmierung. Dank PEEK und spannungsfreier Massivkä­fige aus Messing gibt es jetzt also keinen Grund mehr für die Verwendung von Stahlmassiv­käfigen.

 

Zur Sicherstellungeiner zuverlässigen Funktion müssen Wälzkörper aus gehärtetem Stahl verwendet werden. Komponen­ten aus gehärtetem Stahl können allerdings durch Schwefel­wasserstoff beschädigt werden.

SKF hat die Aufbringung spezieller Beschichtungen zum Schutz von Lagerstählen in Sauergasanwendungen untersucht. Im SKF Engineer­ing and Research Centre in den Niederlanden haben SKF Wissenschaftler die wichtigsten Eigenschaften für Beschich­tungsmaterialien identifiziert. Die Schichthärte muss sicher am Lagerstahl haften und darf unter Last nicht abplatzen. Die Schicht darf auch nicht porös sein, damit kein Schwefelwasser­stoff eindringen kann. Obwohl NoWear^® Lager noch nicht in stärkerem Umfang in Schrau­benverdichtern eingesetzt werden, können sie in einigen schwierigen Fällen durchaus eine Lösung darstellen.

Noch vielversprechender ist die Verwendung einer neuen superzähen Edelstahlqualität für Lager, die gegen schwefelbedingte Spannungsrissbildung resistent ist. SKF entwickelt und testet derzeit solche Stahl­-qualitäten, und die Ergebnisse der Praxistests in Sauergas-Schraubenverdich­tern sind äußerst vielversprechend. Bei diesen neuen Lagern bestehen die Kugeln und Wälzkörper aus Keramik. Eine Alternativlösung ist die Verwendung von NoWear^® Lagern, die sich durch eine reibungsarme Kera­mikbe­schich­tung auf den Wälz­-kör­pern aus hoch stickstoffhaltigem Edelstahl auszeichnen. Die NoWear-Beschichtung bietet sehr geringe Reibung, einen Schutz gegen Anschutzschmie­rungen und reduzierten Ver­schleiß, allerdings ist NoWear nicht dicht genug, um die Diffusion von Schwefelwasser­stoff zu verhindern. No­Wear-beschichtete Lager stellen eine Lösung in schwierigen Fällen dar, bei schlechter Schmierung oder niedrigen Lasten.

Die neue Leistungsklasse der SKF Explorer Lager überzeugt durch noch bessere Stahlqualität und Wärmebehandlung. Die neuen einreihigen SKF Explorer Schrägkugellager für den universellen paarweisen Einbau, Vierpunktlager und Zylinder­rollenlager haben eine längere Gebrauchsdauer als herkömmliche Lager in anspruchsvollen Schraubenverdichteranlagen.

Nachdem Kompressoren­lager ausgewählt und eingebaut sind, müssen sie auch überwacht werden. Manuelle Überwach­ungsgeräte für die periodische Kontrolle bzw. fest installierte Geräte für die Online-Über­-
wachung können Trenddaten liefern und eventuelle Lagerbes­chädigungen im Frühstadium feststellen. So hat der Bohrloch­betreiber die Möglichkeit, Instandhaltung und Reparaturen für Außerbe­triebnahmen zu planen.