Газовые уплотнения против влажных герметичных уплотнений
Aug 22, 2025
Газовые уплотнения против влажных герметичных уплотненийВ условиях всё более строгих экологических норм технология газового уплотнения остаётся критически важной для обеспечения безопасной, надёжной и устойчивой работы насосов, миксеров и вращающегося оборудования. Сухая газовая смазка торцевых поверхностей даёт значительные преимущества, обеспечивая высокую чистоту продукта и отсутствие выбросов. За последние годы эта технология эффективно снизила вредные выбросы. По оценкам, за последние 31 год было продано около 105 000 бесконтактных газовых уплотнений со средним сроком службы шесть лет. Это позволяет избежать около 272,2 миллионов фунтов (123,4 кг) токсичных выбросов благодаря технологии нулевого уровня выбросов. Технология управления максимальной доступностью (MACT) является ключевым инструментом для достижения этих целей. Департамент управления качеством воздуха Калифорнии (AQMD) оценивает годовые выбросы насосов химических/нефтеперерабатывающих установок в 432 фунта (200 кг), в то время как последние данные Агентства по охране окружающей среды США (EPA) предполагают до 2200 фунтов (900 кг) на насос. Ещё в 1993 году было доказано, что эта технология позволяет экономить 500 долларов на одно уплотнение (при стоимости электроэнергии 6 центов за киловатт-час). Сегодня, когда стоимость электроэнергии выросла до 10–16 центов за киловатт-час, годовая экономия энергии на одно уплотнение достигла 1350 долларов. Рисунок 1. Сравнение энергопотребления газовых и мокрых уплотнений Рисунок 2. Типичный рисунок поверхности спиральной канавки и градиент давления, создаваемый канавками В настоящее время доступны различные системы герметизации для снижения выбросов. Ниже представлен рейтинг их эффективности в контроле выбросов на вращающемся оборудовании (от лучшего к худшему):● Двойное герметичное бесконтактное газовое уплотнение● Двойное уплотнение под давлением жидкости● Двойное герметичное уплотнение с барьерным уплотнением для жидкости● Двойное герметичное уплотнение с контактным/бесконтактным барьерным уплотнением, работающим всухую● Одинарное уплотнение с рукавом● Одинарное уплотнение● Уплотнение набивки Эволюция технологии уплотнений при перекачке жидкостей Ранние жидкостные насосы Для герметизации утечек на валу использовались волокнистые набивки, покрытые воском или графитом, но этот метод приводил к перегреву и сокращению срока службы. Для улучшения смазки и охлаждения были введены перфорированные фонарные кольца. Хорошая смазка эффективно продлевает срок службы скользящих поверхностей. Эти ограничения привели к разработке механических уплотнений вала, требующих эффективной смазки. Достижения в области трибологии и гидротехники позволили дополнительно оптимизировать системы смазки уплотнений. Производители разработали конструкции торцевых поверхностей, устойчивые к давлению и износу, в некоторых из которых даже используется деформация для улучшения смазки и снижения износа. Шлифованные и полированные поверхности уплотнений обеспечивают отличную стойкость к давлению, трению и износу. Жидкая смазка поверхностей уплотнения получила широкое распространение благодаря своей стабильности при высоком давлении, термостойкости и совместимости с технологическими жидкостями. Развитие технологии спиральных канавок Голландский профессор трибологии Эверт Мёйдерман стал пионером в использовании повторяющегося рисунка канавок в ультрацентрифугах. Впоследствии эта технология была использована в механических уплотнениях и впервые была применена в насосах более 30 лет назад. Бесконтактная функция достигается благодаря рисунку на одной уплотнительной поверхности. При вращении вала рисунок разделяет уплотнительные поверхности, устраняя трение. В качестве барьерного газа используется инертный газ (например, азот) под давлением на 20–30 фунтов на кв. дюйм выше рабочего давления, что обеспечивает отсутствие выбросов. Спиральные канавки обычно представляют собой логарифмические спиральные канавки, выполненные на одной уплотнительной поверхности (обычно из более твёрдого материала). При вращении вала газ втягивается в канавку, сжимается под действием вязкого сдвига и затем расширяется у уплотнительной перемычки, создавая зазор в несколько микрометров между двумя уплотнительными поверхностями. Статическое давление во время простоя помогает минимизировать повреждение уплотнительной поверхности. Первые спиральные уплотнения представляли собой однонаправленные канавки на наружном диаметре неподвижной торцевой поверхности. Поскольку скорость вращения технологического насоса значительно ниже, чем у турбокомпрессоров (всего 1200–3600 об/мин), для повышения эффективности разделения поверхностей уплотнения требуются более прочные материалы, усовершенствованная конструкция канавок, а также меньшие нагрузки на пружины и трение уплотнительных колец. Применение технологии спиральных канавок В 1992 году производитель полимеров успешно внедрил бесконтактное сухое газовое уплотнение в насос, эффективно защитив чистоту продукта и окружающую среду. За последние 30 лет эта технология широко применяется в таком оборудовании, как насосы, миксеры, вентиляторы и воздуходувки, работающем в широком диапазоне скоростей, давлений, температур и концентраций твердых частиц. На рисунке 3 показано первое двухпозиционное бесконтактное уплотнение, установленное в центробежный насос большого диаметра. На рисунке 4 показано бесконтактное газовое уплотнение, подходящее для отверстий стандартов ANSI и DIN, с контркольцом со спиральной канавкой и инертным барьерным газом. На рисунке 5 показана та же конфигурация уплотнения с дополнительным дренажным отверстием для условий технологического процесса с концентрацией твердых частиц до 30%. Рисунок 3: Первое двухнапорное бесконтактное уплотнение, установленное на технологическом насосе, около 1992 г. Рисунок 4: Газосмазываемое бесконтактное уплотнение для стандартной полости уплотнения Рисунок 5: Газосмазываемая, бесконтактная, стандартная уплотнительная полость Впоследствии эта технология была распространена на смесители и контейнеры, широко используемые в фармацевтической, пищевой и нефтехимической промышленности для обеспечения чистоты продукта. Конструкторы также разработали спиральные канавки на основном углеродном кольце для компенсации низких скоростей и высоких биений вала, обеспечивая как гидродинамическую, так и гидростатическую подъёмную силу. Двадцать лет спустя конструкции уплотнений были дополнительно модернизированы для соответствия требованиям более высоких давлений и процессов с высоким содержанием твёрдых частиц. На рисунке 7 показано новое уплотнение, разработанное для насосов ANSI с большим диаметром цилиндра, обеспечивающее улучшенную перекачку твёрдых частиц и повышенную производительность. Новейшая разработка – это газовое уплотнение, пригодное для эксплуатации при высоких температурах (до 800°F / 425°C). Металлическое сильфонное уплотнение, показанное на рисунке 8, обеспечивает упругость пружины, компенсирует осевое смещение и эффективно передает крутящий момент. Сильфон действует как динамический уплотнительный элемент, поддерживая различные комбинации вторичных уплотнений. Уплотнение обеспечивает компенсацию давления и реверсивный режим работы для предотвращения случайного выброса рабочей жидкости. Рисунок 6: Газосмазываемый бесконтактный смеситель Рисунок 7: Газосмазываемое бесконтактное уплотнение для высокого давления и твердых материалов Рисунок 8: Газосмазываемое бесконтактное уплотнение для эксплуатации в условиях высоких температур Применение технологии спиральных канавок Во всех конфигурациях двойных уплотнений под давлением давление барьерной жидкости превышает давление герметизируемого процесса. Двойное газовое уплотнение отличается от других конфигураций уплотнений под давлением тем, что оно не использует циркуляцию жидкости между уплотнениями, а использует внешний источник инертного газа для создания давления в уплотнительной камере. Согласно API 682, четвёртое издание, соответствующей схемой трубопроводной обвязки для этого типа уплотнения является схема трубопроводной обвязки 74. На рисунке 9 показана принципиальная схема этой схемы. Рисунок 9. План трубопроводов API 74 - API 682, четвертое издание Система герметизации обеспечивает переток жидкости из области высокого давления в область низкого. Механические уплотнения минимизируют утечки через уплотнительные поверхности и уплотнительные кольца, сохраняя небольшой зазор для предотвращения перегрева. Этот зазор позволяет жидкости под высоким давлением выходить в атмосферу. В сухих газовых барьерных уплотнениях для обеспечения герметичности используется регулируемый инертный газ (например, азот) под давлением на 30–50 фунтов на кв. дюйм выше рабочего давления. Азот чаще всего используется в качестве барьерного газа благодаря своей совместимости и доступности. Азот обычно подается из сжатого азотного трубопровода или из баллона, но это менее надежно. Если давления азота недостаточно, можно использовать газовый дожимной компрессор. Система управления должна регулировать давление, фильтровать затворный газ и контролировать давление и расход для предотвращения избыточного давления. Из-за чрезвычайно малого зазора между уплотнительными поверхностями газ должен быть отфильтрован до размера менее 1 микрона. Расходомер контролирует расход газа, а панель API Plan 74 оснащена датчиком для непрерывного контроля состояния уплотнения. Ключевым параметром является давление затворного газа, подаваемого в уплотнение. Преимущества газовых уплотнений для конечных пользователей Несмотря на многочисленные преимущества газовых уплотнений в насосном оборудовании, до сих пор существуют разногласия относительно выбора между «мокрыми» и «сухими» двойными герметичными уплотнениями. В «мокрых» герметичных уплотнениях для смазки и охлаждения используется жидкая затворная жидкость (например, API 53A/B/C и 54), в то время как в «сухих» герметичных уплотнениях используется газ, и они требуют минимальной предварительной подготовки. Сравнение стоимостиБазовая стоимость кассет мокрых и сухих уплотнений одинакова. Для мокрых уплотнений требуются азот, чистая жидкость, электропроводка, охлаждающая вода и питание для насоса и вентилятора; сухие же уплотнения, в свою очередь, зависят в основном от азота и электрических соединений; если требуется поддержание давления, им требуется только питание азотного усилителя. Совместимость с барьерной жидкостьюК влажным уплотнениям предъявляются более высокие требования по совместимости с жидкими барьерными жидкостями, что может повлиять на качество процесса. В сухих уплотнениях используется инертный азот, который, как правило, не вызывает проблем с совместимостью. Мониторинг и обслуживание системыВлажные уплотнения требуют регулярного пополнения затворной жидкости и обслуживания теплообменника. Сухие уплотнения требуют контроля затворного давления и резервного источника азота для обеспечения надежности системы. Хотя высокие скорости потока газа при использовании сухих уплотнений требуют исследования, непрерывная эксплуатация, как правило, приемлема при условии стабильного затворного давления. Потребление энергии и контроль теплаПо сравнению с газовыми уплотнениями, мокрые уплотнения потребляют больше мощности и выделяют больше тепла. Газовые уплотнения также характеризуются меньшим повышением температуры и меньшим энергопотреблением. Согласно статистике, мокрые уплотнения потребляют около 1300 кВт⋅ч электроэнергии и выделяют 2 тонны углекислого газа (CO₂) в год, в то время как сухие уплотнения потребляют всего 350 кВт⋅ч и выделяют 0,54 тонны CO₂. За последние 31 год по всему миру было установлено около 105 000 газовых уплотнений со средним сроком службы шесть лет на систему, что привело к совокупной экономии энергии в размере 8,6 млн кВт⋅ч, что эквивалентно общему потреблению электроэнергии жителями Хьюстона, штат Техас. Гибкость установкиСистемы газового уплотнения устраняют необходимость в сложной циркуляции жидкости, обеспечивая большую гибкость в выборе места установки приборов контроля и управления. В отличие от них, мокрые уплотнения требуют установки ближе к оборудованию для снижения потерь в трубопроводах. Такая гибкость особенно полезна при модернизации оборудования, облегчая техническое обслуживание и ремонт. По сравнению с традиционными контактными уплотнениями с жидкой смазкой, технология бесконтактного сухого газового уплотнения значительно снижает неконтролируемые выбросы от технологических насосов, экономя тысячи тонн токсичных отходов и устраняя необходимость в охлаждающей воде. Более того, эта технология снижает паразитные потери мощности, значительно повышая энергоэффективность и сокращая выбросы CO₂ примерно на 2 тонны на насос в год. Кроме того, увеличение среднего срока службы между ремонтами (MTBR) и повышение надежности оборудования обеспечивают значительные преимущества в плане эксплуатационных расходов. Технология бесконтактного сухого газового уплотнения с газовой смазкой остаётся идеальным решением для достижения целей по сокращению выбросов и повышению надёжности оборудования. Как и любая передовая технология, её применение должно быть научно обоснованным и адаптированным к местным условиям. Правильный выбор и внедрение этой технологии не только повышает производительность оборудования, но и обеспечивает значительные экономические и экологические преимущества.
ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ