Gebruiksduur afdichtingen en stangdeklagen D. (Mink) Ros Bouwdienst RWS / Ontwikkeling Technieken (NIO) (Versie 29 september 2004)

Inhoud van de presentatie Doel van innovaties bij constructies van RWS Problemen bij traditionele afdichtingen / stanggeleidingen en onderzoeksresultaten in het verleden Problemen bij deklagen voor stangen en assen Onderzoek gebruiksduur van afdichtingen en deklagen voor stangen en assen Conclusies en aanbevelingen

Doel van innovaties: verlagen van de integrale kosten Integrale kosten, het totaal van: Ontwerpkosten Bouwkosten Onderhoudskosten Bedrijfskosten inclusief de milieukosten en indirecte kosten Economische en maatschappelijke kosten t.g.v. niet-beschikbaarheid Kringloopkosten en milieueffecten Onderhoudsfrequentie domineert deze integrale kosten Tijdens het ontwerp kunnen integrale kosten het meest effectief worden verlaagd In de gebruiksfase zijn alsnog aanzienlijke kostenverlagingen mogelijk Besparingskennis = kennis voor verlagen integrale kosten = kennis voor verlengen onderhoudsinterval

Mogelijkheden voor het verlagen van integrale kosten / langer onderhoudsinterval Innovatieve technieken: Ontwerpen door weglaten -> minder onderhoud Alternatieve materialen, beschermsystemen en conserveringslagen Overdracht besparingskennis: Checklist Productverbetering (aanbevelingen vanuit praktijkproblemen) Interne of externe (CUR)-aanbevelingen t.b.v. onderhoudsbewust ontwerpen Technische voorlichtingen en symposia Contractvorm bij uitbesteding ontwerp: In offertestadium besparingskennis van toepassing verklaren Aannemer offreert voor het ontwerp, de bouw en langdurig onderhoud Contractvorm met nadruk op het eindresultaat in plaats van op de beginprijs

Problemen bij traditionele afdichtingen / stanggeleidingen en onderzoeksresultaten in het verleden

Vroegere standaard en kenmerken Meervoudige dakvormafdichting van rubber “angstpakking” werd translerend en roterend toegepast Goede afdichting Zeer groot wrijvingsoppervlak Stroef: f > 0,5 fstatisch groter dan fdynamisch Bronzen stang- en zuiger geleiding Metaal tegen metaal: smeerfilm is voorwaarde Bij lage glijsnelheid: onvoldoende smeerfilm Stroef: f >0,4

Stickslipproblemen Niet-eenparige beweging door stickslip Spuisluis Haringvliet Brouwersdam Stormvloedkering Oosterschelde Hartelkering De afdichtlip vloeit (SVKO) De bronzen geleiding slijt Slijtagedeeltjes van brons Verstoppen speling Toename wrijving Stickslip / kans op vastlopen Hartelkering (?)

Problemen bij roterende dakvormafdichtingen Afdichting werkt als een stroef glijlager Volgt nauwelijks asslingering of excentriciteit Slijtage asdeklaag van chroom door stroef rubber Corrosie afdichtvlak en wentellager Bij lekkage smeermiddel in het water

Onderzoek stangafdichtingen TUE (1997) Doel: wrijvingsarme slijtvast dakvormafdichting Partners: TUE, RWS, Hydraudyne, Shamban Materiaalselectie Rubber (referentie) PTFE-varianten PUR UHMPE Onderzochte eigenschappen Wrijvingscoëfficiënt Slijtfactor Visco-elastische vervorming Materiaalkeuze: UHMPE als afdichtingsmateriaal: circa 20 maal zo stijf als rubber Eem-optimalisatie dakvormafdichting van UHMPE Prototype-onderzoek naar lekkage, wrijvingscoëfficiënt en slijtage

Resultaat onderzoek TUE en wens UHMPE is bruikbaar als dakvormafdichtingl met als voordelen ten opzichte van rubber Slijtvast -> langere gebruiksduur Veroorzaakt 80% minder wrijving fstatisch kleiner dan fdynamisch > stickslipvermijdend Wens Gedeelde en lekvrije dakvormafdichting van UHMPE Voorwaarde voor montage dakvormafdichting in de praktijksituatie voor het opheffen van stickslip

Toepassing meervoudige stangafdichting van UHMPE Hartelkering Meervoudige dakvormafdichting van UHMPE, in combinatie met stepseals van UHMPE aan de hogedrukzijde Stanggeleiding van kunststof HAWE Echter: helaas nog ouderwetse zuigerafdichting en zuigergeleiding (Geluidsopname stickslip)

Onderzoek roterende afichtingen TUE (2000) Doel: wrijvingsarme oliekeerring van UHMPE Geen dakvormafdichting als roterende afdichting Partners: TUE, RWS, IHC-lagersmit, James Walker, KM Doel: Eem-optimalisatie oliekeerring van UHMPE Testen in proefopstelling roterende afdichting van rubber en UHMPE

Problemen bij traditionele deklagen voor stangen en assen

Stang- en asdeklagen op ongelegeerd staal Algemene info Chroom-nikkel galvanisch (50-100 µm) beschermt in landlucht tientallen jaren Insmeltlegeringen 16C en 34F beschermen al 30 jaar

Problemen bij chroom-(nikkel) deklagen op ongelegeerd staal Chroom galvanisch: onvoldoende beschermduur in zeewater Slijtage asdeklaag van chroom tegen rubberen dakvormafdichting Spleetcorrosie asdeklaag bij stilstand en condens

Problemen met keramische stang- en asdeklagen op ongelegeerd staal Sinds 2000 – na vijf jaar gebruik problemen bij keramische deklagen op een chroomnikkel ”hechtlaag” Applicateur koppelt garantietermijn 10 jaar beschermduur aan maximale uitstandtijd van enkele weken  hydraulische olie is beschermlaag Voortdurend uitstekend stangdeel wordt periodiek ingevet om corrosie te voorkomen Geen praktisch toepasbare kennis over de beschermduur van koudgespoten deklagen in en bij zeewater

Samenvatting problemen Problemen bij afdichtingen Veel wrijving Stickslip Onvoldoende inzicht in de gebruiksduur Problemen bij bronzen geleidingen Kans op galvanische corrosie stangdeklaag Problemen bij deklagen Beschermduur in (zee)water is vaak onbekend Slijtage chroomlaag in combinatie met dakvormafdichting van rubber Gevoelig voor galvanische en spleetcorrosie

Onderzoek gebruiksduur van afdichtingen, stang- en asdeklagen Deelonderzoeken Tribo-onderzoek naar slijtfactor en wrijvingscoëfficiënt van rubber, UHMPE en HAWE in combinatie met deklagen voor stangen en assen 2. Corrosie-onderzoek naar de beschermduur van deklagen voor stangen en assen in zeewater

Resultaten tribo-onderzoek

f en k van materiaalcombinaties (k = slijtage / L * p)

Wrijvingscoëfficiënt-glijsnelheid UHMPE/RVS 0,5 µm Ra Wrijvingscoëfficiënt daalt als glijsnelheid afneemt Daardoor bij glijvlakken van UHMPE geen stickslip mits Ra = <0,5 µm

Slijtfactor en gebruiksduur van afdichtingen en stangdeklagen   Hevige sticklip Stick-slip Geen sticklip Geen sticklip

Resultaten corrosie-onderzoek

Beschermduur van deklagen TUSSENSTAND Beschermduur van deklagen TUSSENSTAND!!! Opgave van TNO op 26 augustus 2004. De langste beschermduren kunnen toenemen tijdens de testduur

Conclusies en aanbevelingen

Conclusies gebruiksduur afdichtingen Stickslip kan de gebruiksduur van rubberen afdichtingen aanzienlijk verkorten Rubberen afdichtingen kunnen zonder stickslip tientallen jaren lang meegaan Afdichtingen van UHMPE gaan tienmaal langer mee dan afdichtingen van rubber bij 80 % minder wrijving met uitsluiting van stickslip ongeacht het stangmateriaal mits de oppervlakteruwheid van het hardere glijvlak <0,5 µm Ra

Conclusies gebruiksduur stangdeklagen Ten aanzien van slijtage: Nikkel heeft in combinatie met rubber een korte gebruiksduur In combinatie met afdichtingen van UHMPE hebben alle onderzochte stangdeklagen een zeer lange gebruiksduur, inclusief de zachtere stangdeklagen zoals de nikkellaag alulaag kunststoflaag Ten aanzien van de beschermduur deklagen Garantietermijn van 10 jaar als indicatie voor een beschermduur van 25 tot 50 jaar lijkt bij meerdere deklagen mogelijk

Conclusies gebruiksduur hydraulische cilinders en assen Voor de gebruiksduur van hydraulische cilinders met stickslip is de slijtage van de rubberen afdichting bepalend Voor de gebruiksduur van hydraulische cilinders zonder stickslip en voor assen is de beschermduur van de stang- of asdeklaag bepalend

Aanbevelingen Gebruik UHMPE voor translerende afdichtingen Gebruik voor roterende afdichtingen geen dakvormafdichting, maar de oliekeerring van rubber Keuze stangdeklagen: TNO-onderzoek is nog niet afgerond. Aantrekkelijk lijken: Alulaag (Bewerk de oppervlakte van de alulaag na door rollen in plaats van nadraaien of slijpen met als voordelen: langere gebruiksduur van afdichting en deklaag. Rollen mag niet ten koste gaan van de hechting) Lasercladlaag Kunststoflaag RVS AISI 904L Geleid stangen niet met brons, maar met HAWE of met UHMPE Ontwerp constructies zodanig dat zuigerstangen normaal ingetrokken zijn.

??? Vragen ???

Berekening glijweg en gebruiksduur vanuit toegestane slijtage

Wrijvingscoëfficiënt Tribologische eigenschappen gemeten door TUE Slijtfactor = slijtage / (glijweg * vlaktedruk) Materiaal / type Wrijvingscoëfficiënt (-) Slijtfactor mm2/N Rubber canvas PTFE+Koolstof+Grafiet PTFE+Glas+Smeermiddel PTFE+Glas+MoS2 PUR (U)HMPE gesinterd UHMPE+roet UHMPE zuiver >0,400 0,144 0,190 0,074 0,650 0,160 0,104 0,100 37*10-9 30*10-9 23*10-9 <1*10-9 7,5*10-9 9,1*10-9 7,8*10-9 Keuze voor UHMPE zuiver vanwege combinatie van: - Gunstige tribologische eigenschappen - Ruime verkrijgbaarheid op de markt / lage prijs - Geringe milieubelasting

Pin / ringmetingen TNO

Onderzochte deklagen en materialen m. b. t Onderzochte deklagen en materialen m.b.t. de beschermduur in en bij zeewater 1. Chroom-nikkel galvanisch: vroegere standaard als referentie 2. Nikkel galvanisch: met afdichting van UHMPE is het zachtere nikkel mogelijk hard genoeg 3. Nikkelchroom 80/20 HVOF: ontwikkeld in het kader van TS98 4. Keramiek Al2O3-TiO2 APS op dunne nikkelchroomlaag: schadereferentie 5. Keramiek Al2O3-TiO2 APS op dikke nikkelchroomlaag: volgens huidige eisen 6. Keramiek Cr3C2 APS op nikkelchroomlaag (Chroomcarbide): wordt in Zeeland toegepast 7. Nikkelchroom insmeltlegering 34F: referentie meer dan 30 jaar positief resultaat in zeewater 8. Alulaag elektrisch draadgespoten: nagedraaid Ra < 0,5 µm: lijkt kansrijk onedel alternatief 9. Nikkelchroom (Inconel 625) HVOF: mogelijke verbetering voor nr. 3 10. Nikkelchroom (Inconel 625) Laserclad: “koud”alternatief voor 34F 11. Nikkelchroom met wolframcarbiden (Hastelloy WC) HVOF: “koud”alternatief voor 34F? 12. Duplex AISI 904 bulkmateriaal: geen stangdeklaag nodig 13. Kunststoflaag: heeft goede referenties in praktijksituaties 14. Minerale hydraulische olie: bij beschermduur langer dan stormduur: geen stangdeklaag nodig 15. Hydraulische olie op basis van synthetische ester: zie 14

Corrosie-onderzoek = gezamenlijke wens van markt en gebruiker als basis voor een betrouwbare beschermduur van deklagen Uitgangspunten corrosie-onderzoek: Representatieve testfaciliteiten voor het betrouwbaar meten van de beschermduur (jaren) van deklagen in zeewater (TNO in Den Helder) Elektro Chemische Porositeits-test (ECP-test) benutten als niet-destructieve standaardkeuring op doorlopende poriën in fabriek en op locatie Bestaande (referentie) en moderne stangdeklagen onderzoeken RWS stelt garantietermijn van 10 jaar beschermduur als houvast voor 25 tot 50 jaar van stang- en asdeklagen die deze beschermduur in dit onderzoek hebben bewezen