Stopfbuchspackungen auswählen und einbauen: Betriebsbedingungen für die Dichtung von Pumpenwellen und Ventilspindeln beurteilen und Leckagen kontrollieren

Was ist eine Stopfbuchspackung: Warum sie sowohl an Pumpenwellen als auch an Ventilspindeln eingesetzt werden kann, die Funktionsweise jedoch unterschiedlich ist

In der Instandhaltung tritt häufig folgende Beurteilungsfrage auf: Eine Stopfbuchspackung an der Pumpenwelle tropft, eine Stopfbuchspackung an der Ventilspindel weist eine äußere Leckage auf – beides kann als „undichte Stopfbuchspackung“ bezeichnet werden, darf aber nicht nach demselben Verfahren behandelt werden. Pumpenwellen führen üblicherweise eine kontinuierliche Drehbewegung aus; die Stopfbuchspackung muss dabei Reibungswärme, das Gleiten an der Wellenoberfläche und die Schmierung während des Betriebs bewältigen. Ventilspindeln können dagegen eine Hubbewegung, eine Drehbewegung oder häufige Öffnungs- und Schließvorgänge ausführen. Neben der Dichtheit ist daher auch zu beachten, wie gut die Stopfbuchspackung der Bewegung folgt und welche Betätigungskräfte an der Ventilspindel entstehen.

Eine Stopfbuchspackung ist ein flexibles, geflochtenes, streifenförmiges Material, das in eine Stopfbuchse oder einen Dichtungsraum eingelegt wird. Nach der Montage presst die Stopfbuchsbrille die Packung radial an, sodass sie gleichzeitig an der Oberfläche von Welle oder Spindel sowie an der Wand der Stopfbuchse anliegt und dadurch die Leckage des Mediums durch den Spalt nach außen begrenzt. Sie ist keine vollständig starre Dichtung, sondern funktioniert durch das Zusammenspiel von Materialstruktur, Anpresszustand und angemessener Schmierung. Deshalb darf die Auswahl nicht nur anhand des Querschnitts oder der Werkstoffbezeichnung erfolgen; zunächst müssen auch Bewegungsart, Medium und Betriebsbedingungen der Anlage geklärt werden.

Dieser Artikel befasst sich schwerpunktmäßig mit der äußeren Leckage an der Stopfbuchse: beispielsweise mit Tropfleckagen rund um eine Pumpenwelle oder mit Medium, das im Bereich der Stopfbuchsbrille entlang der Ventilspindel nach außen dringt. Wenn bei geschlossenem Ventil weiterhin Medium durch den Ventilsitz strömt, handelt es sich um eine innere Leckage des Abschlusskörpers oder Ventilsitzes, die nicht unmittelbar der Stopfbuchspackung zugeschrieben werden darf. Bei der praktischen Fehlersuche sollte zunächst die Leckagestelle bestimmt und anschließend der Zustand von Stopfbuchspackung, Stopfbuchsbrille, Stopfbuchse sowie Wellen- und Spindeloberfläche geprüft werden. Werden innere und äußere Leckagen miteinander verwechselt, gehen der spätere Werkstoffwechsel oder die Einstellung der Stopfbuchsbrille häufig an der eigentlichen Ursache vorbei.

Wie eine Stopfbuchspackung abdichtet: Zusammenhang zwischen radialer Anpressung, Labyrintheffekt und Schmierung

Nach dem Einlegen in die Stopfbuchse verschließt eine Stopfbuchspackung den Spalt nicht einfach mit einem einzigen Materialblock. Die von der Stopfbuchsbrille ausgeübte axiale Kraft bewirkt eine radiale Verformung der geflochtenen Packung. Dadurch legt sie sich an Welle, Ventilspindel und Innenwand der Stopfbuchse an und bildet eine durchgehende Dichtkontaktfläche. Zwischen Packung und Welle oder Spindel können zwar weiterhin kleinste Kanäle vorhanden sein, das Medium muss jedoch mehrere gewundene Wege durchlaufen, wobei der Druck durch wiederholte Drosselung schrittweise abnimmt. Dies wird üblicherweise als Labyrintheffekt bezeichnet.

Die radiale Anpressung der Stopfbuchspackung ist nicht umso besser, je größer sie ist

Die Stopfbuchspackung benötigt außerdem eine angemessene Schmierung, um Reibung und Temperaturanstieg zu reduzieren. Bei kontinuierlich rotierenden Pumpenwellen erhöht ein zu starkes Anziehen den Widerstand an Welle oder Spindel, sodass die Reibungswärme nur schwer abgeführt werden kann. Bei Hub- oder Drehbewegungen von Ventilspindeln kann eine übermäßige Anpressung die Betätigung erschweren und den Verschleiß der Spindeloberfläche beschleunigen. Umgekehrt entstehen bei unzureichender Anpressung Leckagewege. Ziel der Montage ist daher nicht eine absolut „tropffreie“ Dichtung, sondern ein ausgewogenes Verhältnis von Dichtheit, Temperaturanstieg, Betätigungskraft und Lebensdauer der Stopfbuchspackung innerhalb der zulässigen Anlagenanforderungen.

Anhand des Betriebszustands beurteilen, ob die Stopfbuchspackung richtig angepresst ist

Beim Probebetrieb sollten gleichzeitig die Veränderung der Leckage, der Temperaturanstieg an der Stopfbuchsbrille, die Bewegung von Welle oder Ventilspindel sowie die verbleibende Nachstellreserve beobachtet werden. Steigt die Temperatur nach dem Anfahren deutlich an, wird die Bewegung schwergängig oder nimmt die Leckage rasch zu, sollte die Stopfbuchsbrille nicht einfach weiter angezogen werden. Stattdessen sind Schmierung, Querschnitt der Stopfbuchspackung, Ausführung und Anordnung der Schnittstellen, Oberfläche von Welle oder Spindel sowie der Zustand der Stopfbuchse erneut zu prüfen. Die Dichtwirkung einer Stopfbuchspackung beruht auf dem gemeinsamen Zusammenwirken von Material, Struktur und Montage; eine alleinige Erhöhung der Anpresskraft kann die Prüfung der eigentlichen Ursache in der Regel nicht ersetzen.

Welche Betriebsbedingungen sind bei der Auswahl einer Stopfbuchspackung zuerst zu berücksichtigen: Medium, Temperatur, Druck, Partikel und Bewegungsart

Der erste Schritt bei der Auswahl einer Stopfbuchspackung besteht nicht darin, aus Erfahrung eine Variante aus PTFE, Graphit oder Aramid auszuwählen, sondern zunächst eine Betriebsdatenkarte zu erstellen. Derselbe Querschnitt kann in einer Klarwasserpumpe, einer Pumpe für partikelhaltige Suspensionen und einem Dampfventil ganz unterschiedlichen Reibungs-, Temperaturanstiegs-, chemischen Angriffs- und Extrusionsrisiken ausgesetzt sein. Fehlen wesentliche Betriebsdaten, reicht allein die Angabe „Stopfbuchspackung“ oder eine reine Maßangabe mit Preis in der Regel nicht für eine zuverlässige Empfehlung aus.

Welche Angaben sollte die Betriebsdatenkarte einer Stopfbuchspackung enthalten

• Anlage und Bewegungsart: Angeben, ob es sich um eine Pumpenwelle oder Ventilspindel, eine kontinuierliche Drehbewegung oder eine Hubbewegung handelt, außerdem Drehzahl, Betätigungsfrequenz und das Auftreten häufiger An- und Abschaltungen.
• Angaben zum Medium: Bezeichnung, Konzentration, Viskosität, Säure- bzw. Alkalität, Feststoffgehalt sowie die Anforderungen an Leckage- und Kontaminationskontrolle dokumentieren.
• Temperatur und Druck: Normalwerte, Spitzenwerte und mögliche Schwankungen beim An- und Abschalten angeben. Bei Dampf, Heißwasser und ähnlichen Betriebsbedingungen ist außerdem der thermische Zyklus zu beschreiben.
• Abmessungen und Konstruktion: Durchmesser der Welle oder Ventilspindel, Breite und Tiefe der Stopfbuchskammer, Querschnitt der Packung, Ausführung der Packungsbrille sowie vorhandene Kühl-, Spül- oder Schmierbedingungen angeben.
• Bestehende Ausfallerscheinungen: Leckagestelle und Entwicklung der Leckage, Temperaturanstieg im Betrieb, Betätigungskraft der Ventilspindel, Verschleißbild der Packung sowie mögliche Riefen, Lochfraß, Durchbiegung oder Exzentrizität an Welle bzw. Spindel dokumentieren.

Bei einer abrasiven Suspension sollten beispielsweise zunächst Verschleißfestigkeit, Festigkeit und Extrusionsbeständigkeit bewertet werden. Bei chemischen Medien sind zuerst Konzentration, Temperatur und Verträglichkeit abzugleichen. Bei Heißwasser oder Dampf müssen zusätzlich Wärmeleitung und die Einstellung der Packungsbrille nach dem Betrieb berücksichtigt werden. Dies sind lediglich Auswahlkriterien und keine festen Schlussfolgerungen unabhängig von den Lieferantendaten. Bei der Beschaffung sollten diese Betriebsdatenkarte zusammen mit den Abmessungen der Stopfbuchskammer und den bisherigen Ausfallerscheinungen bereitgestellt werden.

Welche Risiken sind bei PTFE-, Graphit-, Aramid- und Kohlefaser-Stopfbuchspackungen jeweils zu beachten

Stopfbuchspackungen sollten nicht allein nach der „höchsten Temperaturbeständigkeit“ ausgewählt werden. Zunächst sind Medium, Temperatur, Druck, Bewegungsart und Zustand von Welle bzw. Spindel zu bestätigen; anschließend wird anhand der Materialeigenschaften eine Vorauswahl getroffen. Die folgende Einteilung beschreibt typische Bewertungsrichtungen und entspricht keinem einheitlichen Branchenstandard. Letztlich müssen die konkreten Produktdaten und die Tabelle zur Medienverträglichkeit geprüft werden.

PTFE-Stopfbuchspackungen: chemische Verträglichkeit, geringe Reibung und Kontaminationsgrenzen beachten

Stopfbuchspackungen auf PTFE-Basis werden in der Regel im Hinblick auf Chemikalienbeständigkeit, selbstschmierende Eigenschaften und geringe Kontamination bewertet und eignen sich für chemische Medien oder Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Kontaminationsfreiheit. Konkrete Konzentration, Temperatur, Druck und Füllstoffstruktur verändern jedoch die Einsatzgrenzen, sodass aus der Aussage „korrosionsbeständig“ allein keine Schlussfolgerung gezogen werden darf.

Graphit-, Aramid- und Kohlefaser-Stopfbuchspackungen: thermische, Verschleiß- und Festigkeitsrisiken jeweils prüfen

• Graphit-Stopfbuchspackungen: Besonders zu prüfen sind hohe Temperaturen, thermische Zyklen, Medienverträglichkeit und das Risiko eines Wellenverschleißes. Graphit trägt in der Regel zur Hochtemperaturbeständigkeit und zur Reibungsminderung bei. Die Leistungsunterschiede zwischen verschiedenen Flechtstrukturen, Verstärkungsarten und Einsatzumgebungen sind jedoch erheblich. Bei oxidierenden Medien, höheren Umfangsgeschwindigkeiten oder einem schlechten Zustand der Wellenoberfläche darf die Beurteilung nicht allein auf dem beworbenen Temperaturgrenzwert beruhen.
• Aramid-Stopfbuchspackungen: Im Mittelpunkt stehen Verschleißfestigkeit, Extrusionsbeständigkeit und mechanische Festigkeit. Sie werden häufig als Auswahlrichtung für partikelhaltige Medien oder stark verschleißende Betriebsbedingungen betrachtet. Aramid ist jedoch relativ hart. Bei direkter Reibung mit hoher Geschwindigkeit an der Welle, übermäßiger Kompression oder unzureichender Schmierung kann der Verschleiß von Wellenbuchse oder Ventilspindel zunehmen. Daher sind gleichzeitig Bewegungsart, Oberflächenzustand und Kompressionsmaß zu prüfen.
• Kohlefaser-Stopfbuchspackungen: Die Bewertung erfolgt in der Regel im Hinblick auf Temperaturbeständigkeit, geringe Reibung, Wärmeableitung oder Verschleißfestigkeit. Die konkreten Eigenschaften hängen jedoch von der Kohlefasertype, der Flechtstruktur, dem Imprägniermaterial und der jeweiligen Kombination mit anderen Materialien ab. Bei Verwendung an Pumpenwellen oder Ventilspindeln sind Medienverträglichkeit, Drehzahl bzw. Betätigungsfrequenz, Druck sowie das mögliche Risiko elektrochemischer Korrosion oder von Wellen- bzw. Spindelverschleiß zu prüfen.

Unterschiede bei der Auswahl von Stopfbuchspackungen für Pumpen und Ventile: rotierende Wellen, hin- und hergehende Ventilspindeln und häufige Betätigungen

Auch wenn es sich in beiden Fällen um eine äußere Leckage an der Stopfbuchse handelt, unterscheiden sich die Bewegungsbedingungen bei Pumpenwellen- und Ventilspindelpackungen. Pumpenwellen drehen sich in der Regel kontinuierlich, sodass die Reibung zwischen Packung und Wellenoberfläche fortlaufend Wärme erzeugt. Daher sind insbesondere Drehzahl, Schmierung, Zustand der Wellenoberfläche und der Temperaturanstieg während des Betriebs zu überprüfen. Ventilspindeln können hingegen axial hin- und herbewegt, gedreht oder intermittierend betätigt werden. Neben der Dichtheit sind daher auch die geringe Reibung, die Anpassungsfähigkeit der Packung und die für die Ventilbetätigung erforderliche Kraft zu berücksichtigen.

Pumpenwellenpackungen: Zuerst Reibungswärme und Zustand der Wellenoberfläche prüfen

Packungen für Pumpen sollten nicht ausschließlich anhand des Querschnitts oder einer „Temperaturbeständigkeitsklasse“ ausgewählt werden. Bei Fördermedien mit Feststoffpartikeln sind in der Regel zunächst Verschleißfestigkeit, Festigkeit und Extrusionsbeständigkeit zu bewerten. Ist die Packung jedoch zu hart oder wird sie zu stark angezogen, können dadurch der Verschleiß der Wellenhülse und die Wärmeentwicklung zunehmen. Nach der Montage sollten Leckage, Temperaturanstieg und der verbleibende Einstellweg der Stopfbuchsbrille beobachtet werden. Ein kontinuierliches Nachziehen darf nicht die Prüfung von Welle, Stopfbuchse und Schmierzustand ersetzen.

Ventilspindelpackungen: Geringe Reibung, Anpassungsfähigkeit und Betätigungskraft gemeinsam bewerten

Die Packung eines Ventils muss den Kontakt während der Bewegung der Ventilspindel aufrechterhalten. Bei häufigem Öffnen und Schließen oder bei Regelventilen kann eine zu hohe Anpresskraft die Bewegung der Ventilspindel erschweren und sogar die Bedienung beeinträchtigen. Ist die Anpassungsfähigkeit der Packung unzureichend, kann nach der Betätigung eine äußere Leckage auftreten. Bei chemischen Medien oder Anwendungen mit strengen Anforderungen an geringe Verunreinigung sind zunächst die Werkstoffverträglichkeit und die zulässige Kontamination zu prüfen. Bei Heißwasser, Dampf und ähnlichen Betriebsbedingungen müssen außerdem Wärmeleitung, Temperaturänderungen und die Einstellbarkeit der Stopfbuchsbrille berücksichtigt werden. Die genannten Aspekte dienen lediglich als Ausgangspunkt für die Auswahl; letztlich sind die konkreten Produktdaten und die Gerätehandbücher maßgeblich.

Daher sollte für Pumpenwellen und Ventilspindeln nicht standardmäßig dieselbe Packung verwendet werden. Bei der Beschaffung sollten mindestens der Gerätetyp, die Abmessungen von Welle oder Ventilspindel, die Abmessungen der Stopfbuchse, Medium und Konzentration, Temperatur, Druck, Drehzahl oder Betätigungsfrequenz, der Partikelgehalt sowie die bisherigen Ausfallerscheinungen angegeben werden. Wenn die Welle oder Spindel bereits Riefen, Lochfraß, Verbiegungen oder Exzentrizität aufweist, lässt sich die Leckage durch einen einfachen Packungswechsel möglicherweise nicht beseitigen.

Montageablauf für Packungen: Ausbau der alten Packung, Reinigung, Zuschneiden der Ringe, versetzte Stoßstellen, Einsetzen und Einstellen der Stopfbuchsbrille

Die Montage einer Packung darf nicht mit dem „Einsetzen der neuen Packung“ beginnen, sondern mit der sicheren Stillsetzung, der Isolierung des Mediums und dem Ablassen des Restdrucks. Befinden sich die Pumpenwelle oder Ventilspindel noch in Bewegung, erwärmen sie sich oder stehen sie unter Druck, darf die Stopfbuchsbrille nicht direkt demontiert werden. Die Montagequalität hängt in der Regel vom Zustand der Stopfbuchse und der Welle beziehungsweise Spindel sowie von der Krafteinleitung durch die Stopfbuchsbrille ab und nicht nur vom Packungswerkstoff selbst.

Ausbau der alten Packung und Prüfung der Stopfbuchse

Beim Entfernen der alten Packung sind geeignete Ausziehwerkzeuge zu verwenden, um Beschädigungen an Ventilspindel, Pumpenwelle und Stopfbuchsgehäuse zu vermeiden. Verbliebene Packungsreste, verhärtete Ablagerungen und Anhaftungen sollten möglichst vollständig entfernt werden. Befindet sich am Boden noch alte Packung, kann die neue Packung möglicherweise nicht gleichmäßig verdichtet werden. Nach der Reinigung ist zu prüfen, ob die Welle oder Spindel Riefen, Lochfraß, eine ovale Form, Verbiegungen oder Exzentrizität aufweist. Außerdem ist die Innenwand der Stopfbuchse auf Korrosion, Grate und lokale Beschädigungen zu untersuchen. Wenn die Oberfläche der Welle oder Spindel bereits beschädigt ist, lässt sich die äußere Leckage durch einen einfachen Packungswechsel möglicherweise nicht beseitigen.

Schneiden der Packungsringe, Einsetzen und Einstellung der Stopfbuchsbrille

• Messung und Abstimmung: Prüfen Sie die Breite und Tiefe der Stopfbuchse sowie die Abmessungen der Welle und stellen Sie sicher, dass der Querschnitt der Packung mit den Angaben in der Geräteanleitung und den Anforderungen des Lieferanten übereinstimmt. Beurteilen Sie die Abmessungen nicht ausschließlich anhand der alten Packung.
• Sauber geschnittene Ringe: Messen und schneiden Sie jeden Ring einzeln. Die Schnittflächen sollten eben sein und passgenau aneinanderliegen; deutlich sichtbare Öffnungen oder lokale Überlappungen sind zu vermeiden. Halten Sie die geschnittene Packung sauber und verhindern Sie, dass Sandkörner und Metallspäne eindringen.
• Ring für Ring einsetzen: Drücken Sie jeden Ring einzeln in die Stopfbuchse und stellen Sie sicher, dass die Packung am Boden und an den Wänden der Kammer anliegt. Die Stoßstellen benachbarter Ringe sollten gegeneinander versetzt sein. Die genaue Anordnung richtet sich nach der Geräteanleitung oder den Vorgaben des Packungslieferanten.
• Gleichmäßig festziehen: Ziehen Sie beim Einbau der Stopfbuchsbrille die Befestigungselemente abwechselnd und gleichmäßig an, um zu vermeiden, dass eine Seite zuerst vollständig angepresst wird. Die Stopfbuchsbrille muss parallel bleiben und ausreichend Spielraum für spätere Einstellungen lassen. Das Prinzip „Je fester angezogen, desto geringer die Leckage“ darf nicht pauschal angewendet werden.
• Nachkontrolle beim Probelauf: Beobachten Sie nach dem Start die Leckage, den Temperaturanstieg, die Betätigungslast der Welle oder Ventilspindel sowie die Position der Stopfbuchsbrille. Bei einer ungewöhnlichen Zunahme der Leckage, einer schwergängigeren Betätigung oder einem deutlichen Temperaturanstieg ist die Anlage anzuhalten und die Ausführung der Packung, die Schmierung, eine einseitige Belastung der Stopfbuchsbrille und der Zustand der Welle zu prüfen, anstatt weiter festzuziehen.

Fehlersuche bei Packungsleckagen: Von der Belastung der Stopfbuchsbrille bis zum Zustand von Welle und Stopfbuchskammer

Das Auftreten einer Packungsleckage kann lediglich eine Priorität für die Prüfung anzeigen, jedoch nicht unmittelbar die einzige Ursache belegen. Unterscheiden Sie bei der Fehlersuche zunächst zwischen einer äußeren Leckage an der Stopfbuchse und einer inneren Leckage am Ventilsitz. Prüfen Sie anschließend unter Berücksichtigung der kontinuierlichen Rotation oder der hin- und hergehenden Bewegung des Geräts den Zustand der Stopfbuchsbrille, der Packung, der Welle und der Stopfbuchskammer.

Auch nach dem Austausch der Packung weiterhin Leckage – zuerst den Grundzustand prüfen

Wenn nach dem Einbau einer neuen Packung weiterhin eine äußere Leckage auftritt, sollte nicht sofort auf ein teureres oder „höher temperaturbeständiges“ Material umgestiegen werden. Prüfen Sie die Welle bzw. Pumpenwelle auf Riefen, Ovalität, Verbiegung, Exzentrizität und Oberflächenrauheit. Kontrollieren Sie außerdem die Abmessungen und den Reinigungszustand des Packungsraums, die Packungskonstruktion sowie den verbleibenden Einstellweg der Stopfbuchsbrille. Ist die Welle beschädigt, lässt sich die Leckage durch einen reinen Packungswechsel häufig nicht beseitigen.

Bei der Beschaffung oder einer Preisanfrage beim Lieferanten sollten neben dem Packungsquerschnitt auch der Gerätetyp, die Abmessungen von Welle oder Ventilspindel, die Abmessungen des Packungsraums, das Medium und dessen Konzentration, Temperatur, Druck, Partikelgehalt, Drehzahl oder Betätigungsfrequenz sowie das bisherige Fehlerbild angegeben werden. Fordern Sie Angaben zur Materialstruktur, zur Grundlage der Kompatibilitätsbewertung und zu den Montageempfehlungen an und gleichen Sie diese mit der Geräteanleitung, den Sicherheitsvorschriften vor Ort und den konkreten Produktdaten ab.

Häufig gestellte Fragen zu Packungen (FAQ)

Die Beurteilung einer Packungsleckage darf sich nicht allein auf die Materialbezeichnung stützen. Auch die Bewegungsart der Pumpenwelle oder Ventilspindel, die Medienverträglichkeit, der Zustand des Packungsraums, die Belastung der Stopfbuchsbrille und die Sicherheitsanforderungen vor Ort müssen berücksichtigt werden. Die folgenden Fragen behandeln die in diesem Beitrag erläuterten Schwerpunkte bei Auswahl, Montage und Fehlersuche bei äußerer Leckage.