DF-SA DiamondFace® Gleitringdichtung für CANDU-Reaktor
Innovative Werkstoffpaarung ermöglicht reibungsarmen Betrieb und verlängert die Lebensdauer um das Fünffache
Situation
Länder wie Kanada, Südkorea und Argentinien setzen bei der Energiegewinnung durch Kernkraft auf Schwerwasser-Reaktoren. Im Gegensatz zu den in Europa vorwiegend betriebenen Druck- und Siedewasserreaktoren können bei diesen sog. CANDU-Reaktoren Brennelemente während des laufenden Betriebs ausgetauscht werden, wodurch sich die Reaktorverfügbarkeit erhöht. Die Abdichtung der dafür verwendeten hydraulischen Belademaschinen stellt eine große technische Herausforderung dar.
Herausforderung
Die kanadische CANDU Owners Group (COG) hatte mit Ausfällen der verwendeten Gleitringdichtungen zu kämpfen, die zu kostspieligen Stillständen führten. Für die Entwicklung einer passenden Dichtungslösung begaben sich die Materialwissenschaftler von EagleBurgmann auf eine Forschungsmission, die sie bis auf die atomare Ebene hinabführte.
Lösung
Reibungsarme Gleitringdichtung für Kernkraftwerke mit geringer Leckage, hoher Zuverlässigkeit und langer Lebensdauer.
Die RAM-Wechselmaschinen sind komplexe hydraulische Systeme und für den störungsfreien Betrieb des Reaktors elementar. Ein wichtiger Bestandteil dieser Vorrichtungen ist eine Gleitringdichtung, die das druckbeaufschlagte Beladerohr der RAM-Maschine gegen ihr Antriebsgetriebe abdichtet. Die bisher verwendeten Dichtungen hielten den Belastungen nicht zuverlässig stand und versagten häufig. Die COG* entschied sich deshalb, für diese kritische Stelle eine neue Gleitringdichtung auszuschreiben.
* Die CANDU Owners Group ist eine private, gemeinnützige und führende Organisation im Bereich der Kerntechnik. Gemeinsam mit ihren Mitgliedern treibt sie Innovationen in der Kraftwerkstechnik und den -prozessen voran, um höchste Standards bei Sicherheit, Effizienz und Umweltverträglichkeit zu gewährleisten. Mehr Informationen finden Sie unter: www.candu.org
Die Anforderungen an die neue Dichtung waren hoch: Bei einem Druck von 120 bar und Drehzahlen von 261 Umdrehungen pro Minute sollte sie Drehmoment und Leckage auf ein Minimum beschränken. Zudem musste sie für einen Wechselbetrieb ausgelegt sein, da die RAM-Maschine zum Öffnen und Schließen der Reaktorröhren jeweils entgegengesetzt dreht. Nicht zuletzt sollte die neue Dichtung die größte Schwachstelle der bisherigen Komponenten ausmerzen und zuverlässig funktionieren. Bei einem Dichtungsversagen summieren sich die Kosten für den Betreiber durch Wartungsaufwände und entgangene Umsätze auf 500.000 bis zu einer Million Dollar pro Tag. Außerdem werden Wartungstechniker bei der Arbeit an der RAM-Maschine einer erhöhten Strahlendosis ausgesetzt.
Unerwartetes Problem erfordertwissenschaftliche Herangehensweise
Bei der Entwicklung der Gleitringdichtung stießen die Ingenieure auf ein unerwartetes Problem: Unter bestimmten Bedingungen stieg das Drehmoment der Dichtung nach mehreren Drehzyklen deutlich an – ein Verhalten, mit dem im Vorfeld niemand gerechnet hatte. Es galt, den sprunghaften Anstieg des Reibungswiderstands zwischen den Gleitflächen zu verstehen. Dazu nahmen die Werkstoffexperten Kontakt zu Kollegen der Muttergesellschaft, der Freudenberg-Gruppe, auf, um die atomaren Bindungskräfte zwischen den Gleitflächen mit Hilfe einer atomistischen Simulation genauer zu untersuchen.
Zum Einsatz kam schließlich eine Werkstoffpaarung aus einer mikrokristallinen Diamantschicht und einer Gleitschicht aus Siliziumkarbid.
Diese Kombination reduziert Kaltschweißeffekte und sorgt für einen dauerhaft niedrigen Reibungswiderstand. Auch der Verschleiß an den Flächen wird durch die neue Materialpaarung reduziert. Dadurch hat die neue Dichtung eine fast fünffach längere Lebensdauer von vier Jahren im Vergleich zur Vorgängerdichtung.
Da die Gleitringdichtungen in unmittelbarer Nähe des Reaktors eingesetzt werden, stellte der Kunde besonders hohe Anforderungen an Qualität, Sorgfalt und Transparenz. Vor der Auslieferung wurde jede einzelne Gleitringdichtung umfangreichen Tests auf einem speziellen Prüfstand unterzogen, der die Betriebsbedingungen in der RAM-Wechselmaschine simuliert. Alle verwendeten Werkstoffe und Bauteile wurden zudem auch dahingehend ausgewählt, dass sie eine möglichst lange Lagerzeit ermöglichen. So können die Betreiber die Ersatzteilverfügbarkeit problemlos selbst gewährleisten. In den RAM-Dichtungen werden beispielsweise nur O-Ringe verwendet, die gerade erst hergestellt wurden. Durch solche Maßnahmen ist eine lange Haltbarkeit garantiert. Eingelagerte Dichtungen muss der Kunde erst nach Jahren überprüfen.
Auch bei der Verpackung sind für die Industrie spezifische Vorgaben zu erfüllen. Die fertigen Dichtungen werden in Sonderfolie eingeschweißt, die für den Nuklearbereich zugelassen ist. Sie ist frei von Chloriden und anderen korrosiven Bestandteilen.
EagleBurgmann hat sich für das Projekt nach dem kanadischen Kernkraftwerksstandard „N299 - Quality Assurance Program Requirements for the Supply of Items and Services for Nuclear Power Plants“ zertifizieren lassen. Von einer Auditierung des gesamten Unternehmens sowie der Fertigungsprozesse über die Auswahl geeigneter Werkstoffe bis hin zur Zulassung der Lieferanten – in jedem Teil des Prozesses hat EagleBurgmann die Voraussetzung dafür geschaffen, dass die
COG ein bestmöglich gefertigtes und dokumentiertes Produkt erhält.
Die für den CANDU-Reaktor neu entwickelte Gleitringdichtung erfüllte nicht nur alle vom Auftraggeber geforderten Spezifikationen, sie überzeugt im Einsatz auch mit einer beeindruckenden Leistung. Die erwartete Lebensdauer wurde bei allen installierten Dichtungen deutlich übertroffen. Bei Kraftwerksbetreibern hat sich die DF-SA DiamondFace® Gleitringdichtung von EagleBurgmann inzwischen als Standardkomponente etabliert. Bis heute sind weltweit mehr als 300 Stück erfolgreich im Einsatz.
