Die Förderung von Rohstoffen am Meeresboden stellt extreme Anforderungen an die eingesetzten Komponenten. Besonders in Lagern und Dichtungen von Pumpen verkürzt sich die Betriebsdauer drastisch – durch hohe Salzgehalte, starke Strömungen und abrasive Partikel im Fördermedium. Um die notwendige Langlebigkeit und Ausfallsicherheit unter diesen Bedingungen zu gewährleisten, sind fundiertes Materialverständnis und gezielte Werkstofflösungen gefragt.
Im Verbundprojekt »SubseaSlide« wurden daher verschleißbeständige, energieeffiziente und zuverlässige Gleitkomponenten für Anwendungen im Subsea-Bereich entwickelt und qualifiziert. Das Projektkonsortium hat gezeigt, dass Diamant-SiC-Komposite ein idealer Werkstoff für mediengeschmierte Anwendungen unter Tiefseebedingungen sind, und erprobte ein wirtschaftliches Produktdesign für Gleitringdichtungen. Die neue Werkstofflösung verbessert nicht nur Wartungsintervalle und Betriebssicherheit, sondern leistet darüber hinaus einen Beitrag zur Ressourcen- und Energieeffizienz.
Mit steigender Nachfrage nach natürlichen Rohstoffen rückt auch deren Förderung am Meeresgrund in den Fokus. Dabei ist entscheidend, dass die eingesetzten Anlagen zum Bohren, Fördern und Transportieren ausfallsicher und langlebig betrieben werden können. Die Bedingungen in der Tiefsee – hohe Salzgehalte, enorme Strömungsgeschwindigkeiten und extreme Betriebstemperaturen – erhöhen jedoch das Risiko für Schäden drastisch. In Schlüsselkomponenten wie Gleitlagern und Gleitringdichtungen, beispielsweise in Pumpen oder Bohrwerken, können Defekte sogar zum kompletten Stillstand führen. Die Folge sind nicht nur lange Ausfallzeiten und hoher Wartungsaufwand, sondern auch Risiken für die kontinuierliche Rohstoffförderung – und damit für die Versorgungssicherheit ganzer Industriezweige.
Gefragt sind hier Materialinnovationen, die eine Lebensdauer von bis zu 30 Jahren ermöglichen und mediengeschmiert– also mit partikelhaltigem Meerwasser – funktionieren. Der tribologisch beanspruchte Werkstoff muss dabei nicht nur den extremen Einsatzbedingungen standhalten, sondern auch wirtschaftlich herstellbar sein. Nicht zuletzt gilt: Nur wenn die entwickelten Systeme auch zuverlässig arbeiten, kann der Betrieb unter Tiefseebedingungen langfristig gesichert werden.
Das BWMK-geförderte Projekt »SubseaSlide: Verschleißbeständige, energieeffiziente und zuverlässige Komponenten für Subsea-Anwendungen« widmete sich diesen Herausforderungen: Hauptziel des Projektes war die Entwicklung und Qualifizierung von hochleistungsfähigen Lagerungen und dynamischen Dichtungen für Pumpen und Aggregate, die in Subsea-Anwendungen eingesetzt werden.
Innovative Werkstoffentwicklung: Diamant-SiC-Verbundwerkstoffe
Im Projekt wurden keramische Werkstoffe auf Basis von Siliciumcarbid (SiC) mit Diamantanteilen von bis zu 60 Vol.-% entwickelt. Eine gezielte Intarsientechnologie ermöglicht es, die teure Diamantverstärkung nur an lokal hochbelasteten Stellen einzubringen. Dadurch lassen sich sowohl die Materialkosten als auch die Aufwände bei der Bauteilbearbeitung erheblich senken – bei gleichbleibend hoher Korrosions- und Verschleißbeständigkeit unter maritimen Extrembedingungen.
Effiziente Bearbeitung und wirtschaftliche Herstellung
Die Bearbeitung dieser harten, diamantverstärkten SiC-Werkstoffe stellte eine besondere Herausforderung dar. Um die Produktionsprozesse zu optimieren, wurden im Projekt laserunterstützte Schleif- und Trennprozesse sowie elektroerosive Verfahren erfolgreich angepasst. Diese Technologien erlauben eine präzise Fertigung, schädigungsarme Bearbeitung und erhöhen zugleich die wirtschaftliche Effizienz in der Herstellung.
Erprobte Leistungsfähigkeit unter realistischen Einsatzbedingungen
Die hergestellten Komponenten – darunter Axial- und Radiallager sowie Gleitringdichtungen – wurden am Fraunhofer IWM unter realitätsnahen Bedingungen umfassend getestet. Die Versuche bestätigen eine äußerst geringe Verschleißrate, auch bei hohen mechanischen Belastungen und partikelhaltigen Medien. Zudem zeigten die Materialien ein außergewöhnlich stabiles Reibungsverhalten – auch unter wechselnden Betriebsbedingungen.
Eine neue Qualität für die Rohstoffförderung am Meeresboden
Die Ergebnisse sind vielversprechend – sowohl hinsichtlich der technischen Leistung als auch der wirtschaftlichen Herstellbarkeit. Künftige Arbeiten werden darauf abzielen, die Langzeiteigenschaften weiter zu verbessern und die Implemenierung dieser neuen Werkstofflösungen bei Betreibern von Subsea-Anlagen gezielt zu erhöhen.
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM