Механические уплотнения необходимы для бесперебойной и надежной работы промышленные насосыИх производительность напрямую влияет на общую эффективность и стоимость обслуживания оборудования. Выход из строя торцевого уплотнения может привести к значительным финансовым потерям, особенно если не устранить причину неисправности своевременно. Эксперты в этой области отмечают, что преждевременный выход из строя торцевых уплотнений обычно обусловлен не внутренними дефектами самого уплотнения, а внешними факторами.
Основной причиной выхода из строя торцевого уплотнения является отсутствие стабильной жидкостной плёнки между движущимися частями. Это подчёркивает её важность для всей системы. Для обеспечения долгосрочной и надёжной работы торцевого уплотнения необходимо выявить и устранить основную причину нестабильной жидкостной плёнки.
В следующей таблице приведены основные факторы, приводящие к выходу из строя механического уплотнения:
Таблица 1. Основные факторы, приводящие к выходу из строя механического уплотнения
| ФАЗА | Причины неудач | Результаты | Влияние | % |
| Выбор | Неправильный выбор материалов и скользящих поверхностей | Химическое воздействие, коррозия Испарение жидкой пленки | B | 10% |
| Неправильный выбор плана промывки | Перегрев механического уплотнения | A | ||
| Неправильный выбор типа торцевого уплотнения | Деформация крышки уплотнения, ненормальное поведение | A | ||
| Установка | Неправильная установка механического уплотнения | Ухудшение характеристик механического уплотнения, условия работы не соответствуют требованиям спецификации | А,С | 20% |
| Неправильная установка системы промывки/охлаждения | Недостаточная промывка приводит к перегреву торцевого уплотнения. | A | ||
| Запуск и стабильная работа | Посторонние частицы в трубопроводе или установке | Износ и повреждение уплотнительного кольца Недостаточная промывка Перегрев торцевого уплотнения | A | 60% |
| Воздушные карманы в машине или оборудовании | Перегрев торцевого уплотнения | A | ||
| Неправильная настройка вспомогательных систем | Перегрев торцевого уплотнения | A | ||
| Неправильная калибровка и центрирование машины | Нестабильность жидкой пленки | A | ||
| Чрезмерная вибрация | Нестабильность жидкой пленки Повреждение уплотнительной поверхности | A | ||
| Запуск в условиях сухого хода | Перегрев, ненормальный износ | A | ||
| Эксплуатация не в соответствии с техническими требованиями | Ухудшение характеристик механического уплотнения | A | ||
| Постобработка | Ненадлежащее техническое обслуживание машины | Ухудшение характеристик механического уплотнения | А, Б, В | 10% |
| Неправильный ремонт торцевого уплотнения | Ухудшение характеристик механического уплотнения | А, Б, В | ||
| Неправильная установка после ремонта | Ухудшение характеристик механического уплотнения | А,С |
Причины выхода из строя механического уплотнения включают в себя:
А) Отсутствие или нестабильная пленка между уплотнительными поверхностями
Б) Повреждение
C) Чрезмерная утечка
Как снизить затраты на обслуживание торцевых уплотнений
Техническое обслуживание на заводе может снизить затраты. Для этого необходимы два важных фактора:
- Технологическое развитие
- Стандартизация и взаимозаменяемость
Технологическое развитие
Торцевое уплотнение состоит из вращающейся части (вращающегося кольца) и неподвижной части (неподвижного кольца). Вращающееся кольцо обычно соединяется с вращающейся частью оборудования (например, с валом), а неподвижное кольцо – с неподвижной частью (например, с сальником роторного насоса). Для обеспечения эффективного уплотнения уплотнительные поверхности должны быть абсолютно плоскими, а шероховатость поверхности – минимальной. Вращающееся и неподвижное кольца с точно подобранными размерами обеспечивают плотное прилегание и эффективно предотвращают утечки технологических жидкостей.
Взаимодействие между двумя уплотнительными поверхностями определяет гидравлическое равновесие торцевого уплотнения. В нормальных рабочих условиях образующаяся жидкая плёнка обеспечивает гидравлический баланс между усилиями открытия и закрытия, создаваемыми давлением уплотняющей жидкости, тем самым ограничивая физические утечки. Стандарт API 682 содержит подробные рекомендации и спецификации по расчёту правильных параметров.
Однако в процессе эксплуатации уплотнительное кольцо может деформироваться под воздействием механических и термических нагрузок, что может повлиять на эффективность торцевого уплотнения. Эта деформация может нарушить изначальное гидравлическое равновесие, сделав жидкостную плёнку между уплотнительными поверхностями нестабильной, что, в свою очередь, приведёт к избыточным утечкам.
Поэтому инженеры продолжают изучать новые технические методы снижения трения, особенно в критических условиях эксплуатации, уделяя особое внимание разработке новых материалов и применению новых технологий герметизации. Эти инновации значительно повысили эффективность и надежность герметизации в современных производственных процессах.
Бесконтактная технология - скользящие торцы с канавками
Система бесконтактного механического торцевого уплотнения состоит из динамического и статического колец. Торцевая поверхность динамического кольца имеет специальную геометрию (например, спиральную или ступенчатую), что обеспечивает гидродинамический эффект между двумя торцевыми поверхностями, образуя между ними стабильный небольшой зазор (см. рис. 1). В этой конструкции используется принцип гидродинамического подъёма, благодаря чему уплотнительные поверхности могут поддерживать эффективное уплотнение без прямого контакта.
В отличие от традиционных контактных уплотнений, эта бесконтактная конструкция не использует жидкостный барьер и связанную с ним систему поддержки. Вместо этого герметизация достигается за счёт подачи инертного газа в уплотнительную поверхность. Выбор инертного газа обычно определяется его химической стабильностью и способностью адаптироваться к рабочей среде, чтобы избежать реакции с уплотняемой средой. Кроме того, давление и расход инертного газа можно точно контролировать с помощью простой панели управления, что обеспечивает стабильность и надёжность уплотнения.
Поскольку коэффициент трения и износ уплотнения можно эффективно снизить практически до нуля, это решение отлично подходит для применений, требующих значительной экономии энергии, особенно в нефтегазовой, нефтехимической и фармацевтической промышленности, где требуется нулевой уровень выбросов.
Рисунок 1: Торцевое кольцо со спиральной канавкой
Новое поколение материалов
Материалы на основе карбида кремния (SiC) с самосмазывающимися свойствами широко используются в механических уплотнениях. При выборе пары подвижных частей обычно используют материалы разной твёрдости для минимизации трения. Выбор комбинации уплотнительных колец особенно важен, причём наиболее распространённой комбинацией являются углеродные кольца и кольца из карбида кремния (см. рис. 2, коэффициенты «давление x скорость — PxV» для распространённых комбинаций торцов). Такая комбинация не только обладает превосходной теплопроводностью и химической стойкостью, но и эффективно противостоит износу, вызываемому абразивными частицами в жидкости.
При деформации по различным причинам графитовые кольца и кольца из карбида кремния демонстрируют отличную взаимную адаптацию и сохраняют хорошие уплотнительные свойства. Однако при очень высоких рабочих давлениях или при наличии большого количества загрязнений в рабочей жидкости для обеспечения герметичности необходимо использовать два кольца высокой твёрдости. Несмотря на высокий коэффициент трения этих материалов, при вращении происходит сильное тепловыделение, что может привести к испарению жидкой плёнки, что приведёт к сухому ходу, деформации или разрушению колец и, следовательно, к снижению эффективности вспомогательной прокладки.
Недавно разработанный производственный процесс предполагает добавление частиц самосмазывающегося материала в матрицу спеченного карбида кремния методом пропитки (пропитка SiC). Неподвижные и вращающиеся кольца, изготовленные таким способом, способны достигать чрезвычайно высоких эксплуатационных характеристик. В частности, торцевые уплотнения, изготовленные из этого материала, способны ограничивать величину поглощаемого крутящего момента, значительно снижая трение и тепловыделение. Это не только повышает прочность и надежность уплотнительных компонентов, но и продлевает их срок службы, особенно при использовании в экстремальных условиях.
Рисунок 2: График коэффициента P x V
Уплотнительные поверхности с алмазным покрытием
Кольца из карбида кремния обычно покрываются тонким слоем алмазного покрытия методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) для улучшения их трибологических свойств и химической совместимости. В условиях горячей воды на электростанциях, а также на нефтяных и нефтехимических предприятиях сжиженные газы имеют тенденцию к испарению, что приводит к потере смазывающих свойств, и алмазные покрытия могут значительно повысить износостойкость и коррозионную стойкость уплотнений.
В фармацевтической промышленности традиционные уплотнения часто не отвечают строгим требованиям из-за необходимости избегать любых загрязнений, в то время как уплотнения с алмазным покрытием демонстрируют превосходную химическую инертность и чистоту, полностью отвечая этим высоким стандартам.
Кроме того, торцевые уплотнения с алмазным покрытием колец выдерживают кратковременную работу в условиях сухого хода двойных уплотнений и бесконтактных уплотнений, что еще больше расширяет область их применения.
Уплотнения для инженерной техники
Поддержание постоянной площади поперечного сечения уплотнительного кольца является важной задачей на этапе проектирования (см. рисунок 3). Это постоянство необходимо для обеспечения стабильности движения уплотнительного кольца и предотвращения обратного вращения. Такие уплотнения в настоящее время широко используются в питательных насосах котлов, трубопроводах, системах впрыска воды, многофазных насосах и других высоконапорных системах с рабочим давлением более 100 бар. Точный контроль размера и формы уплотнительного кольца не только способствует поддержанию герметичности, но и эффективно снижает износ и продлевает срок службы.
Поведение поверхности скольжения под действием высокого давления
И форма скользящей поверхности с ограниченной деформацией под высоким давлением
Рисунок 3: Оптимальная конструкция уплотнительного кольца
Стандартизация и взаимозаменяемость
Узлы торцевых уплотнений, как и другие промышленные детали, имеют стандарт, определяющий их установочные размеры, что позволяет использовать уплотнения других производителей. Это не только повышает качество обслуживания конечного пользователя, но и снижает эксплуатационные расходы предприятия.
Стандарт EN 12756
Стандарт EN 12756 определяет основные установочные размеры одинарных и двойных торцевых уплотнений, используемых в качестве узлов, за исключением фланцев и втулок, закрывающих вращающиеся и неподвижные части. Первые торцевые уплотнения были завезены в Европу из США в ранний послевоенный период; их размеры были указаны в дюймах.
Стандарт DIN 24960, впоследствии преобразованный в EN 12756, принёс значительные преимущества производителям насосов, выпускаемых по стандартам ISO, и, особенно, конечным пользователям, поскольку они больше не были ограничены поставщиками уплотнений, предлагавшими нестандартную продукцию. Это позволило значительно снизить стоимость уплотнений и связанные с ними расходы на техническое обслуживание.
Стандарт API
Насосы для нефтегазового оборудования обычно изготавливаются по стандарту API 610, а торцевые уплотнения — по стандарту API 682. Согласно этому стандарту, уплотнения должны поставляться в виде картриджных узлов, то есть в комплекте с фланцем и втулкой, для упрощения монтажа и возможности проведения испытаний перед поставкой. Стандарт API содержит рекомендации по определению размеров торцевых уплотнений на основе спецификаций сальников различных насосов API, представленных на рынке.
Такая стандартизация не только технически осуществима, но и позволяет стандартизировать общие размеры компонентов сальника, что позволяет осуществлять среднесерийное производство и снижать затраты на производство и управление складом.
Важно отметить, что эта стандартизация позволяет конечным пользователям выбирать разных «квалифицированных производителей торцевых уплотнений», устраняя тем самым проблемы взаимозаменяемости. Таким образом, пользователи получают возможность выбрать подходящее уплотнение и гарантировать его беспроблемную замену, сокращая время простоя и затраты на техническое обслуживание, вызванные несоответствием уплотнений.
IPv6 network supported.