Инструкция по монтажу и эксплуатации торцового уплотнения
с эластомерным сильфоном типа 2100
фирмы «John Crane (Джон Крейн)
Предисловие
Данные инструкции предназначены для установки и эксплуатации одинарного уплотнения, вращающегося по седлу из соответствующего материала и соответствующей конструкции, используемого во вращательном оборудовании. Инструкции помогут избежать опасности и повысить надежность работы уплотнений. Информация может изменяться в зависимости от типа оборудования или конфигурации установки, поэтому необходимо прочесть данное руководство в сочетании с руководством, поставляемым с седлом, и инструкциями для насоса и любого вспомогательного оборудования.
Неправильное обращение, установка или эксплуатация уплотнения может отрицательно повлиять на его гарантию.
Торцовые уплотнения и пары трения фирмы «Джон Крейн» являются прецизионными изделиями, и поэтому необходимо обращаться с ними соответственно. Следует особенно избегать повреждения притертых уплотнительных поверхностей и гибких уплотнительных колец. Важно, чтобы уплотнение не подвергалось чрезмерному сжатию до и во время установки.
Инструкции по безопасности
1. Монтаж и демонтаж уплотнения должны осуществляться только квалифицированным персоналом, заранее прочитавшим и усвоившим эти инструкции.
2. Уплотнение исключительно предназначено для герметизации вращающихся валов. Изготовитель не может нести ответственности в случае применения уплотнений для других целей.
3. Уплотнение должно применяться, только если оно в технически безупречном состоянии и только вместе с подходящим седлом. Оно также должно эксплуатироваться в пределах рекомендуемых рабочих параметров в соответствии с предназначенной областью применения и инструкциями, изложенными в данном руководстве.
4. Если перекачиваемая жидкость является опасной или токсичной, нужно принять соответствующие меры для того, чтобы обеспечить необходимую герметизацию утечек из уплотнения.
5. Нельзя ни в коем случае сжигать детали из ПТФЭ и фторуглерода, так как выделяемые при этом газы чрезвычайно токсичны. При случайном нагревании фторуглеродов выше 400°С, может произойти разложение материала. В таком случае необходимо носить защитные перчатки из-за возможного присутствия фтористоводородной кислоты.
Хранение и транспортировка
Если есть возможность, уплотнения в сборе и его компоненты следует хранить в оригинальной упаковке вместе с соответствующей документацией с указанием даты хранения и инструкцией по эксплуатации.
В случае если оригинальную упаковку не возможно использовать по какой-либо причине, особое внимание при хранении следует обратить на притертые поверхности уплотнения, чтобы избежать их повреждение. Для материалов чувствительных к атмосферной коррозии, таких как нерезист, необходимо защитное покрытие. Уплотнения в сборе необходимо завернуть в непрозрачный полиэтиленовый пакет вместе с дисиликатом, чтобы свести к минимуму влажность.
Все компоненты и/или уплотнения в сборе следует все время хранить в чистом сухом месте. Хранение эластомеров должно соответствовать стандарту ISO.2230, т.е. хранение в прохладной среде при температуре 15-25ºС, при влажности меньше 75%, вдали от прямых солнечных лучей, прямых источников тепла и других предметов ионизирующей радиации. Многие уплотнения включают в себя эластомеры, поэтому рекомендации по их хранению одинаковые.
За исключением эластомеров, все компоненты уплотнения имеют неограниченный срок хранения. Эластомерные материалы, однако, могут стареть со временем, поэтому их за исключением фторэластомеров необходимо менять через каждые 2 года. Срок хранения фторэластомеров достигает 5 лет.
Уплотнения транспортируются на специальных полетах, исключающих контакт между собою, которые упаковываются в картонные коробки .
Условия эксплуатации
Уплотнение типа 2100 является компактным, заранее обработанным, однопружинным эластомерным сильфонным уплотнением общего назначения, для работы в насосах и другом вращающемся оборудовании. Уплотнение может поставляться как в метрических (в рамках стандарта DIN24960), так и в дюймовых (в соответствии со стандартом ANSI) размерах.
Данные инструкции действительны для установки уплотнения в насос, где уплотнение смазывается перекачиваемой средой (или затворной жидкостью) в соответствии с информацией по применению. Типичные рабочие параметры указаны ниже.
Подбор материалов, используемых в уплотнении, должен быть сделан с учетом их температурной и химической стойкости и совместимости с перекачиваемой жидкостью.
Пределы температуры: -40° С — +150° С
(В зависимости от применяемых материалов)
Пределы давления до 20 бар
(см. диаграмму пределов работы с учетом давления/скорости-PV)
Пределы скорости до 15 м/сек
Пределы работы уплотнения с учетом фактора давление/скорость (PV)
Указанное максимальное рабочее давление действительно для следующих условий: графитового/углеродистого торца, вращающегося по седлу из карбида кремния или карбида вольфрама при температуре уплотняемой жидкости 80°С.
Чтобы получить максимальное статическое/испытательное давление на уплотнении, необходимо умножить максимальное рабочее давление на 1,5.
Типичная установка уплотнений типа 2100
К
орпус уплотнения/ Концевая крышка
Камера уплотнения
- сильфон
- приводное кольцо
- пружина
- торец
- седло+кольцо седла
Установочные размеры уплотнения типа 2100
| Макс. Осевое смещение головки ТУ при рабочей длине L3 | |
| Размер ТУ | Макс. Допустимое осевое смещение |
| от 10 до 16 мм/
от 0,375 до 0,625“ |
+ 1,0мм/
+ 0,040” |
| от 19 до 75 мм/
от 0,750 до 3,000” |
+ 1,5мм/
+ 0,060” |
Примечание: осевое смещение не должно превышать указанные пределы
Примечание: если требуется ТУ большего размера, проконсультируйтесь на фирме «Джон Крейн»
L3 = стандартная рабочая длина ТУ
L3*= рабочая длина для ТУ по стандарту DIN
L1K (не включая седло)
L3** = рабочая длина для ТУ по стандарту DIN
L1N (не включая седло)
| Размер
вала (mm) |
Код
размера ТУ |
D1 | D3 | D4 min |
L3 | L3* | L3** |
| 10,00 | 0100 | 10,00 | 20,0 | 22,0 | 15,0 | 27,5 | 35,0 |
| 12,00 | 0120 | 12,00 | 22,0 | 26,0 | 15,0 | 26,5 | 34,0 |
| 14,00 | 0140 | 14,00 | 24,0 | 28,0 | 15,0 | 29,0 | 34,0 |
| 15,00 | 0150 | 15,00 | 25,0 | 27,0 | 15,0 | 29,0 | 34,0 |
| 16,00 | 0160 | 16,00 | 26,0 | 30,0 | 15,0 | 29,0 | 34,0 |
| 18,00 | 0180 | 18,00 | 32,0 | 36,0 | 20,0 | 31,5 | 39,0 |
| 20,00 | 0200 | 20,00 | 34,0 | 38,0 | 20,0 | 31,5 | 39,0 |
| 22,00 | 0220 | 22,00 | 36,0 | 40,0 | 20,0 | 31,5 | 39,0 |
| 24,00 | 0240 | 24,00 | 38,0 | 42,0 | 20,0 | 34,0 | 44,0 |
| 25,00 | 0250 | 25,00 | 39,0 | 43,0 | 20,0 | 34,0 | 44,0 |
| 28,00 | 0280 | 28,00 | 42,0 | 46,0 | 26,0 | 36,5 | 44,0 |
| 30,00 | 0300 | 30,00 | 44,0 | 48,0 | 26,0 | 35,5 | 43,0 |
| 32,00 | 0320 | 32,00 | 46,0 | 50,0 | 26,0 | 35,5 | 48,0 |
| 33,00 | 0330 | 33,00 | 47,0 | 51,0 | 26,0 | 35,5 | 48,0 |
| 35,00 | 0350 | 35,00 | 49,0 | 53,0 | 26,0 | 34,5 | 47,0 |
| 38,00 | 0380 | 38,00 | 54,0 | 58,0 | 30,0 | 37,0 | 47,0 |
| 40,00 | 0400 | 40,00 | 56,0 | 60,0 | 30,0 | 37,0 | 47,0 |
| 43,00 | 0430 | 43,00 | 59,0 | 63,0 | 30,0 | 37,0 | 52,0 |
| 45,00 | 0450 | 45,00 | 61,0 | 65,0 | 30,0 | 37,0 | 52,0 |
| 48,00 | 0480 | 48,00 | 64,0 | 68,0 | 30,0 | 35,0 | 50,0 |
| 50,00 | 0500 | 50,00 | 66,0 | 70,0 | 30,0 | 37,5 | 50,0 |
| 53,00 | 0530 | 53,00 | 69,0 | 73,0 | 30,0 | 37,5 | 60,0 |
| 55,00 | 0550 | 55,00 | 71,0 | 76,0 | 30,0 | 37,5 | 60,0 |
| 58,00 | 0580 | 58,00 | 78,0 | 83,0 | 33,0 | 42,5 | 60,0 |
| 60,00 | 0600 | 60,00 | 80,0 | 85,0 | 33,0 | 40,5 | 58,0 |
| 63,00 | 0630 | 63,00 | 83,0 | 88,0 | 33,0 | 40,5 | 58,0 |
| 65,00 | 0650 | 65,00 | 85,0 | 90,0 | 33,0 | 40,5 | 68,0 |
| 70,00 | 0700 | 70,00 | 90,0 | 95,0 | 33,0 | 48,0 | 68,0 |
| 75,00 | 0750 | 75,00 | 99,0 | 104,0 | 40,0 | 48,0 | 68,0 |
** нестандартные размеры, проверьте их совместимость
* если размеры превышают 75мм, проконсультируйтесь на ф. «Джон Крейн»
Проверка оборудования
Надежная работа и срок службы уплотнения зависят от обеспечения необходимых размеров, правильной центровки и нужной шероховатости поверхностей оборудования. До установки уплотнения необходимо провести следующие проверки, касающиеся камеры уплотнения и вала, особенно в месте установки уплотнения (помечено*). Для снятия данных показаний обычно используются микрометр и циферблатный индикатор.
Внешний диаметр вала/втулки * (См. таблицы с размерами)
Внутренний диаметр камеры уплотнения См. таблицы с размерами
Шероховатость вала/втулки * 0,8-1,2 мкм Ra (обработан.)
Овальность вала/втулки * <0,1 мм/0,004″
Биение вала/осевое смещение <0,08 мм от ППИ
( ППИ- Предельное перемещение индикатора)
Ведущая кромка вала/втулки (Смотрите раздел о фаске ведущей кромки)
Биение вала/втулки * <0,08 мм от ППИ при ≤1800об/мин
<0,05мм от ППИ при >1800об/мин
Перпендикулярность передней см. диаграмму о перпендикулярности
поверхности камеры корпуса насоса
уплотнения валу/втулке
Соосность камеры уплотнения валу/втулке <0,15мм ППИ
Примечание: Если фактические размеры превышают заданные значения, то перед установкой уплотнения необходимо внести поправки в оборудование. Если предполагается смонтировать уплотнение на втулке, то втулка должна быть полностью герметична по своему внутреннему диаметру. Толщина концевой крышки должна быть достаточной для удерживания рабочего давления продукта без деформаций
Фаска ведущей кромки Перпендикулярность корпуса насоса валу
Д
ля облегчения монтажа ведущая
кромка вала или втулки должна иметь
фаску, как показано на рисунке.
Р ПРИ РАЗМЕРАХ УПЛОТНЕНИЯ
до 25 мм 5 ,0 мм
от 25 мм до 63 мм 6,5 мм
выше 63 мм 8,0 мм
Q 10º
R радиус 1 мм
Регулировка уплотнения
При регулировке уплотнения необходимо выставить правильную рабочую длину, обозначенную L3. Процесс регулировки описывается для вала, но инструкции также действительны для установки на втулке.
Если установочный размер больше, чем размер L3, уплотнение будет недостаточно сжато, что приведет к утечкам; если установочный размер меньше, чем размер L3, уплотнение будет слишком сжато, приведя к сухому трению и высокой степени износа пары трения.
Д
опускаемое отклонение размера L3 ±0,5 мм.
Для правильной установки уплотнения необходимо:
1. Для соответствующей конструкции седла определить размер «Х» от передней поверхности крышки уплотнения до рабочей поверхности седла (рис.1).
2. После установки вала в рабочее положение пометьте его поверхность в точке «Y» на одной линии с передней поверхностью камеры уплотнения. Затем пометьте вал в точке «Z» на полученном расстоянии от положения рабочей поверхности седла (рис.2). Эта вторая отметка является исходной точкой для измерения рабочей длины уплотнения (L3). После сборки здесь окажутся трущиеся торцы уплотнения.
3. В таблице размеров найдите размер L3 для типоразмера устанавливаемого уплотнения и измерьте расстояние L3 от точки «Z» обратно по валу (рис.3). Новая отмеченная точка является местом расположения задней части уплотнения (упорная точка уплотнения ).
Установка уплотнения.
Перед тем, как приступить к установке уплотнения, необходимо внимательно прочесть следующие инструкции для того, чтобы ознакомиться с особыми примечаниями и потому, что последовательность монтажа может различаться в зависимости от конструкции насоса.
При монтаже уплотнения необходимо использовать подходящее смазывающее средство. Для всех эластомерных сильфонов рекомендуется использовать мыло для рук с водой или глицерин.
Нельзя использовать жидкость для мытья посуды, жидкое мыло или чистящие гели для рук. С резинами на основе нитрила и фторуглерода можно использовать в небольших количествах легкое минеральное масло.
Нельзя применять жидкости на основе углеводородов с сильфонами из резины на основе этиленпропилена, а также консистентные смазки (включая силиконовую).
1.Снимите с уплотнения защитную упаковку, проверьте, что нет повреждений, и при необходимости протрите его начисто мягкой салфеткой смоченной в спирте.
2.Вставьте седло в крышку уплотнения, используя специальную оправку (монтажную втулку). Проверьте, что О-образное кольцо или Г-образная манжета находится в нужном положении в концевой крышке и, что он/она не сместилась во время монтажа. Затем установите крышку уплотнения на валу так, чтобы она не загораживала место установки головки уплотнения.
3.Установка узла уплотнения и его регулировка на правильную рабочую длину должна быть закончена в течение не более 15 минут. Тогда сильфон окажется в правильном положении до того, как его шейка окончательно захватит вал.
4.Очистите вал, и слегка смажьте его и шейку сильфона.
5.Осторожно продвиньте уплотнение по валу за отметку расположения уплотнения. Установите и закрепите опорную шайбу, затем продвиньте уплотнение назад до упора. Проверьте, что выступы уплотнения правильно состыковались.
6.Поджатие уплотнения в рабочее состояние может осуществляться ступицей рабочего колеса при сборке насоса.
7.Монтируйте уплотнение, равномерно надавливая непосредственно на хвостовую часть сильфона, предпочтительно используя плотно прилегающую по валу монтажную втулку.
8.Протрите начисто и насухо притертую поверхность торца уплотнения. Установите корпус насоса или камеру уплотнения, затем установите крышку уплотнения на шпильки или винты камеры уплотнения, следя за тем, чтобы крышка установилась перпендикулярно. Нажмите на крышку, чтобы сжать пружину уплотнения насколько необходимо для установки крепежных винтов или гаек.
9.Последовательно затяните гайки в соответствии с крутящим моментом, рекомендуемым в руководстве по насосу. Не затягивайте слишком сильно.
До ввода оборудования в эксплуатацию.
1.Убедитесь, что гайки концевой крышки равномерно затянуты, в соответствии с установкой крутящего момента в руководстве по насосу.
2.Завершите сборку насоса и поверните вал (по мере возможности рукой) для проверки свободного вращения. Проверьте соосность муфты и привода.
3.С помощью всех имеющихся руководств по оборудованию проверьте правильность установки обвязки труб и соединений. Особенно в отношении рециркуляции (промывки) уплотнения, требования по подогреву и охлаждению. Данное торцовое уплотнение предназначено для работы в жидкости, за счет чего постоянно отводится вырабатываемая им тепловая энергия. Поэтому, необходимо провести следующую проверку, не только сразу после установки уплотнения, но также после периода простоя оборудования.
4.Проверьте, что линии подачи и отвода жидкости в камеру уплотнения открыты и не засорены, и убедитесь, что камера уплотнения наполнена жидкостью и, что все газы полностью удалены из нее.
Работа без смазки (о чем часто свидетельствуют резкий звук, исходящий из района уплотнения), приведет к перегреванию и образованию задиров или другому повреждению уплотнения, что в свою очередь приведет к чрезмерным утечкам или значительно укороченному ресурсу.
Техническое обслуживание.
Во время эксплуатации следует проводить периодическую проверку уплотнения. О состоянии уплотнения можно судить по уровню утечек, и поскольку во время работы техобслуживание проводить нельзя, то уплотнение следует заменить, как только уровень утечки становится выше допускаемого. Рекомендуется хранить в запасе уплотнительный узел и седло для немедленной замены снятого уплотнения.
Вывод оборудования из эксплуатации.
1.Убедитесь, что насос отключен от источника электричества.
Если оборудование применялось с токсическими или опасными жидкостями, перед началом работы убедитесь, что оно соответствующим образом дезактивировано и безопасно. Помните, что жидкость часто скапливается во время слива и может еще присутствовать в камере уплотнения. Информацию об особых мерах предосторожности, смотрите в руководстве по насосу.
2.Убедитесь, что насос изолирован отсечными задвижками от трубопроводов. Проверьте, что жидкость слита, а давление полностью сброшено.
Демонтаж уплотнения.
Сверяясь с руководством по насосу, разберите оборудование так, чтобы был доступ к концевой крышке и камере уплотнения.
1.Равномерно ослабьте и снимите гайки крышки уплотнения и осторожно снимите крышку со шпилек.
2.Выньте камеру уплотнения, очистите и смажьте вал, а затем завершите демонтаж узла уплотнения и концевой крышки в порядке, обратном установке.
Даже если отметка первоначального положения уплотнения сохранилась на валу или втулке в качестве исходной точки до снятия уплотнения, необходимо проверить это положение, даже если в качестве замены предполагается использовать уплотнение и седло той же спецификации.
Следует всегда проводить техобслуживание узла уплотнения после вывода насоса из эксплуатации.
Важно, чтобы резиновые сильфоны не подвергались чрезмерному сжатию во время установки.
- О предприятии
- Публикации
- Торцевые уплотнения и системы вспомогательные
- Вопросы и ответы по эксплуатации торцовых уплотнений
- Условия эксплуатации системы с торцовыми уплотнениями
/
/
/
/
Условия эксплуатации системы с торцовыми уплотнениями
Допустимость параметров рабочих сред целесообразно рассматривать с учетом следующих факторов:
- тип уплотнения,
- давление и температура среды в сальниковой камере насоса,
- параметры затворной жидкости и окружающей среды.
Любое отклонение параметров от указанных в эксплуатационной документации, с учетом времени их воздействия, влечет изменение ресурсных характеристик изделия.
Для одинарных торцевых уплотнений приемлемые условия эксплуатации оговариваются эксплуатационной документацией и соответствуют условиям работы насоса.
Для торцевых уплотнений двойных и типа «тандем» характерно использование вспомогательной системы, включающей бачок с затворной жидкостью. Как правило, на бачке размещается основной объем приборов контроля параметров затворной жидкости.
Лучшими теплофизическими свойствами, как охлаждающая жидкость, обладает вода, однако, могут использоваться и жидкости на основе углеводородов, при этом теплосъём может уменьшиться до 2-2,5 раз.
Температура затворной жидкости на выходе из уплотнения является среднесмешанной и с целью исключения подкипания и коксования её на горячих поверхностях, например, сильфонов, температура на выходе из уплотнения не должна превышать 100ºС и рекомендуется к поддержанию при эксплуатации около 65…85ºС. Следует учитывать, что в расчете на прочность бачка как правило закладывается температура не более 100ºС, когда не требуется учитывать уменьшение прочностных свойств материала с ростом температуры. Температура охлаждающей жидкости на выходе из бачка, аналогично температуре охлаждающей жидкости на выходе из кольцевого холодильника, не должна превышать 40ºС во избежание интенсивного выпадения солей жесткости и биологического обрастания их. Это условие определяет расход охлаждающей жидкости независимо от её температуры на входе.
В некоторых случаях, например, для исключения кристаллизации или обеспечения прогрева среды в уплотнении, система охлаждения может работать в режиме подогрева. В этом случае, с целью сохранения работоспособности эластомеров, температура греющей среды, подаваемой в бачок и кольцевой холодильник, не должна превышать 150…200ºС.
Допустимые параметры разогрева должны быть согласованы с проектантом уплотнения.
Конструкция бачка рассчитана на рабочее давление 4,0 МПа и позволяет не устанавливать предохранительный клапан на бачке при давлении на всасе насосов не более 4,0 МПа.
Превышение давления затворной жидкости над давлением уплотняемой жидкости для двойных уплотнений может изменяться от 0,05 до 1,0 МПа. Рекомендуемое превышение давления устанавливается в диапазоне 0,1…0,3 МПа.
При использовании торцевых уплотнений типа тандем в бачке устанавливают избыточное давление от 0,05 до 0,15 МПа, обеспечивающее обнаружение утечки через атмосферную ступень. Устанавливать большее давление не следует, так как при снятии давления с насоса или вакуумирования его контурная ступень уплотнения может открыться в связи с изменением направления действия усилия на подвижную обойму.
Можно эксплуатировать торцовое уплотнение типа «тандем», разделив перепад давления между уплотняемой средой и атмосферой, например, пополам. Однако персонал должен соблюдать условие — давление в бачке не должно превышать давление в сальниковой камере насоса во избежание раскрытия контурной ступени. Ожидаемые преимущества: уменьшение утечки через контурную ступень, ввиду уменьшения перепада давления на ней; продление ресурса работы уплотнения за счет перераспределения перепада давления на уплотнительных кольцах. Учитывая вышеизложенное, — повышение давления в бачке до давления уплотняемой среды в сальниковой камере насоса не следует рассматривать как нечто недопустимое.
Этими рекомендациями целесообразно руководствоваться и при использовании обратимых уплотнений, так как отвердевание эластомеров в процессе эксплуатации и плавное, незначительное по величине изменение давления, не обеспечит условий превышения усилий смыкания колец пар трения над усилием раскрытия их.
В случаях уплотнения среды с температурой до 50ºС возможно использование бачка без подачи в него охлаждающей жидкости. В этом случае рассеивание тепла от затворной жидкости происходит в окружающую среду через поверхности бачка, корпуса торцового уплотнения и частично корпуса насоса.
При значительных низких температурах, приводящих к загустению затворной жидкости, перед пуском насоса в работу требуется прогрев системы обеспечения работоспособности торцового уплотнения. Уплотнение прогревается совместно с насосом. Условия прогрева изложены выше . Рекомендуемая скорость разогрева не более 100ºС/час.
Более детальный анализ и назначение величин параметров рабочих сред производится проектантом уплотнений на основании исходных данных заказчика по условиям эксплуатации уплотнений и их конструктивных особенностей.
© к.т.н. Шепелёв В.А., инж. Шепелёв А.В.
Торцевое уплотнение. Принцип работы. Стандарты и ГОСТ
Торцевое уплотнение [торцовое уплотнение, механическое уплотнение] представляет собой прецизионный уплотнительный узел, предназначенный для герметизации полости оборудования (например, насос, мешалка, реактор, гомогенизатор, ротационное соединение и т.п.), которая находится под давлением или разряжением рабочей среды, и вращающимся валом, проходящим через эту полость. Существует общая мировая тенденция замены сальниковой набивки (сальника) на торцевое уплотнение, которое обеспечивает меньшие утечки рабочей среды при фактическом отсутствие необходимого обслуживания и износа поверхности вала или защитной втулки.
Конструктивное исполнение
Торцевое уплотнение конструктивно содержит два кольца пары трения, выполненные в виде поверхностей вращения, расположенных соосно и перпендикулярно оси вращающегося вала. Одно из колец пары трения — «контркольцо» неподвижно и закреплено либо в корпусе, либо во фланце оборудования. Ответное кольцо — подвижное в осевом направлении, обычно динамически или статически закреплено на валу и вращается вместе с ним. Кольца пары трения изготавливаются из специальных, как правило, твердых износостойких материалов, обладающих высокой теплопроводностью и низким коэффициентом трения.
Если в качестве рабочей среды уплотнений используется жидкость, то такие уплотнения обычно называют «жидкостными». Если в качестве рабочей среды для таких устройств используется газ, то такие прецизионные изделия обычно называют «сухими» или «газовыми». Последние модификации способны работать в условиях «сухого» трения, где в качестве смазки используется газообразная рабочая среда. Торцевые уплотнения классифицируются на типы с внутренним расположением, когда рабочая среда взаимодействует с наружной поверхностью уплотнения и с наружным расположением, когда эта среда находится между внутренней поверхностью уплотнения и вращающимся валом.
Принцип работы
Герметичность в паре трения обеспечивается за счёт создания контактного давления. Начальное контактное давление определяется рабочим усилием упругого элемента — пружины или набора пружин сжатия. При отсутствии вращения вала рабочие поверхности колец пары трения прижаты друг к другу усилием упругого элемента. Для обеспечения герметичности между контркольцом и корпусом (фланцем) оборудования, а также подвижным в осевой направлении кольцом и валом используются вторичные уплотнения: резиновые кольца круглого сечения, сильфоны, манжеты и т.п. детали, изготавливаемые из эластомеров. При вращении вала тепловая энергия трения частично отводится в рабочую среду, другая её часть расходуется на повышение температуры колец пары трения, поэтому обеспечение необходимого и надежного отвода тепла от которой, в значительной мере, влияет на надежность работы всего уплотнительного узла. В процессе работы оборудования кольца пары трения могут быть дополнительно прижаты друг к другу гидравлическим усилием, создаваемым положительным перепадом давления рабочей среды на этом прецизионном устройстве.
Требования к изготовлению
К деталям прецизионных уплотнительных изделий предъявляются повышенные требования к их точности изготовления на соответствия рабочим чертежам с целью обеспечения необходимых размеров, выполнения допусков формы и расположения поверхностей, их шероховатости, а также общих технических требований чертежей. Шероховатость рабочих поверхностей колец обычно не хуже Ra = 0.16 мкм (тонкая притирка) и зависит от свойств материала и технологии изготовления, отклонение от плоскостности не хуже 0.0012 мм, а допуск на торцевое биение относительно оси вращения вала не более 0.05 мм. Остальные требования в изготовлении соответствуют 6…8 степени точности. Рабочие поверхности колец пары трения торцевого уплотнения механически обработаны таким образом, что в процессе функционирования средний зазор между этими деталями обычно не превышает 0.001 мм [не постоянная величина], однако для некоторых специальных конструкций [и режимов эксплуатации] этот параметр может достигать 0.0025…0.0055 мм. К сопряженным с уплотнением поверхностям оборудования также предъявляются соответствующие требования, которые обычно регламентированы в стандартах и чертежах, например, шероховатость рабочих поверхностей вала и посадочного гнезда не хуже Ra = 2.5 мкм, отклонение от соосности (радиальное биение) посадочного диаметра под неподвижное кольцо отностительно оси вала не более 0.05 мм, торцевое биение поверхности этого посадочного гнезда не более 0.04 мм и осевой люфт вала не более 0.15 мм.
Компонентное и картриджное исполнение
Герметичный уплотнительный узел по конструкции может быть компонентного или картриджного исполнения. Компонентное уплотнение содержит обычно две собранные части — вращающуюся и неподвижную, которые устанавливаются в оборудование каждая по отдельности в определенном порядке в соответствии с инструкцией по монтажу. Картриджное уплотнение представляет собой модульное автономное устройство — один полностью законченный сборочный узел, предварительно собранный и готовый к установке в уплотнительную камеру оборудования. Конструктивно торцевое уплотнение может быть гидравлически нагруженным или гидравлически разгруженным. Гидравлически нагруженные уплотнительные узлы предназначены для работы при перепадах давлениях ниже 10 Бар, в то время как гидравлически разгруженные конструкции способны работать при давлении рабочей среды до 25 Бар и выше.
Выбор материалов
Давление или разряжение рабочей среды, её тип, физические и химические свойства, рабочая температура в уплотнительной камере, скорость вращения вала, а также особые условия эксплуатации оказывают влияние на работоспособность оборудования, поэтому рациональный выбор необходимых материалов для деталей торцевого уплотнения осуществляется на основе инженерных расчетов, эксплуатационных испытаний и мирового опыта.
Широкое распространение в качестве материалов для колец пары трения получили карбиды кремния и их композиции, металлокерамика на основе карбидов вольфрама и титана, специальные углеграфиты с пропиткой смолами или металлами. Вместе с тем, такие материалы как графит и керамика на основе оксида алюминия, а также мягкая аустенитная нержавеющая сталь, имеют ограниченную область применения ввиду неудовлетворительных показателей по фактору PV, износостойкости, трещиностойкости, работы в условиях полусухого и сухого трения и т.п., поэтому неизбежно уступают место новым перспективным материалам с повышенной износостойкостью, теплопроводностью и низким коэффициентом трения, обеспечивающим более высокие показатели надежности. В качестве материалов вторичного уплотнения применяются различные резины на основе синтетических каучуков: NBR (нитрильно-бутадиенный каучук), EPDM (этилен-пропилен-диеновый каучук) и VITON (фторкаучук и его комбинации). Для особых условий и повышенных требований в эксплуатации используются специальные эластомеры, обладающие исключительными характеристиками. Такие эластичные материалы могут обеспечить в эксплуатации повышение срока службы элементов уплотнения до 10 раз по сравнению с обычной резиной.
Стандарты и ГОСТ
Европейский стандарт EN 12756 (DIN 24960) определяет установочные размеры одинарных и двойных торцевых уплотнений для внутреннего расположения, размеры уплотнительной камеры оборудования, фиксацию контрколец от их возможного проворота, технические требования посадочных и сопряженных с уплотнением поверхностей уплотнительной камеры оборудования, а также обозначения материалов для деталей этих прецизионных устройств. Этот документ содержит информацию о стандартных по установочным размерам уплотнений для диаметров валов от 10 мм до 100 включительно.
Международный стандарт ISO 3069 [Насосы центробежные с односторонним всасыванием] устанавливает размеры посадочных гнезд под герметизирующие уплотнения: размеры полостей торцевых уплотнений ступенчатых валов, гладких валов и сальниковой набивки. Стандарт применяется для уплотнений средней и высокой нагруженности с предельным избыточным давлением в камере уплотнения 40 Бар, за исключением процессов, подразумевающих перекачивание жидкостей с высоким содержанием твердых включений, или работу с растворами. В документе приводятся установочные размеры одинарных торцевых уплотнений [в том числе, имеющих гидравлическую разгрузку] для диапазона диаметров валов от 18 мм до 100 мм. Этот стандарт предъявляет более жесткие требования к рабочим поверхностям вала и уплотнительной камеры насоса.
⊗ В настоящий момент времени не существует каких-либо ГОСТ на торцевые уплотнения.
ГОСТ Р 54806-2011 [Насосы центробежные. Технические требования. Класс I ] устанавливает ряд требований к конструкции валов насосов под установку торцевого уплотнения. ГОСТ Р 52743-2007 [НАСОСЫ И АГРЕГАТЫ НАСОСНЫЕ ДЛЯ ПЕРЕКАЧКИ ЖИДКОСТЕЙ [Общие требования безопасности] определяет требования к выбору типа уплотнения вала в зависимости от перекачиваемой жидкости и зоны установки насосного агрегата, отведению дренажной жидкости и утечек от уплотнения. Государственный стандарт устанавливает необходимость применения двойного уплотнения в случае взрывоопасной зоны установки насосного агрегата; давление затворной (охлаждающей) жидкости для двойного торцевого уплотнения должно быть, как минимум, на 0.05 МПа выше давления уплотняемой жидкости, утечка которой или прорыв её паров в окружающую среду является недопустимой. Приводятся обязательные требования к эксплуатации насоса и его уплотнения в соответствии с эксплуатационными документами.
Срок службы и надежность
Многочисленные мировые исследования и эксплуатационные испытания ведущих фирм в области разработки конструкций и изготовления торцевых уплотнений выявили невозможность прогнозирования показателей надёжности и конкретного срока службы этих прецизионных устройств, т.к. все эти показатели являются статистическими параметрами. Поэтому надёжность торцевых уплотнений является функцией многих переменных: конструктивные особенности, применяемые материалы, правильность монтажа, и в значительной степени — условия эксплуатации (режимы работы уплотнительного узла), техническое состояние этого оборудования, а также другие многочисленные неучтённые факторы, учесть которые полностью на практике не всегда представляется возможным. В связи с этим для каждого конкретного случая надёжность уплотнительного узла будет всегда разная. В нашей работе мы встречались и встречаемся с тем, что одни и те же уплотнения из одной и той же партии с одинаковыми материалами и качеством изготовления работают в одном и том же оборудовании до выхода из строя разное время, что полностью подтверждается многочисленным мировым опытом исследований в области уплотнительной техники. Необходимо особо отметить, что при недостаточном отводе тепла от колец пары трения — перегреве уплотнения, срок его службы будет существенно снижаться, что приведет к ускоренному износу или повреждению этих деталей, а также быстрому старению или деструкции вторичных уплотнительных элементов. В любом случае такие условия эксплуатации являются недопустимыми.
Одним из необходимых факторов для обеспечения надежности и продолжительного срока службы уплотнения является рациональный выбор его конструктивного решения, сочетания материалов для колец пары трения, а также для вторичных уплотнительных деталей — всё это связано с выполнением комплекса опытно-конструкторских, проектно-расчетных работ, а также эксплуатационными испытаниями опытных образцов. Другим важным фактором является изготовление деталей и сборка узлов уплотнения в полном соответствии с требованиями их чертежей, проведение входного контроля на качество изготовления.
Уплотнительный узел достаточно быстро выйдет из строя в том случае, когда для него не обеспечиваются необходимые и обязательные условия эксплуатации. Поэтому торцевое уплотнение не является универсальным и не может работать при любых условиях. Снижение вероятности отказа и определение наиболее вероятных причин выхода из строя уплотнения основывается на диагностике и мониторинге рабочих параметров. Монтаж и эксплуатация оборудования с установленным в него уплотнением должны выполняться только обученным и аттестованным персоналом с соблюдением всех положений соответствующих инструкций. Специальные требования к хранению торцовых уплотнений в целом соответствуют срокам и условиям хранения вторичных уплотнительных элементов — резиновых колец и манжет, эти параметры указываются в техническом задании на этапе конструирования специальной опытной продукции, а также в паспорте и(или) инструкции по её установке и эксплуатации.
Герметичность. Допустимая утечка
Герметичность — способность торцевого уплотнения не пропускать через пару трения и вторичные уплотнительные элементы рабочую среду.
В связи с тем, что абсолютно геметичных изделий не существует, герметичность численно характеризуется величиной допустимой утечки.
Минимальная граница диапазона соответствует подтеканию практически без видимого каплеобразования, максимальная граница диапазона соответствует капельным утечкам.
Величина удельной капельной утечки через торцевое уплотнение варьируется от 10 мм3/(м • с) и может доходить до 50 мм3/(м • с) в соответствии с классами негерметичности уплотнений РД 26.260.011-99.
В зарубежных источниках литературы для малых диаметров валов считают допустимой утечку 0.17 см3/мин. Для этой величины может применяться термин «нулевая утечка», что вводит в заблуждение — утечка рабочей жидкости существует, хотя капли могут и не образовываться.
Двойное торцевое уплотнение
Требования к величине утечки рабочей среды, безопасности окружающей среды, надежности и срока службы, как и многие другие показатели, непосредственно влияют на выбор схемного решения уплотнительного узла. Для отделения перекачиваемой (перемешиваемой) рабочей среды от атмосферы находят применение технические решения в виде двух одинарных торцевых уплотнений (основное и вспомогательное — представляющие собой двойное торцевое уплотнение) с подачей между ними затворной смазочно-охлаждающей жидкости. Различие условий эксплуатации основного и вспомогательного уплотнений обуславливает рациональный выбор их типов, конструктивных особенностей и применяемых материалов.
Двойное торцевое уплотнение находит применение:
• для газообразных рабочих сред с плохой смазывающей способностью;
• для рабочих сред, находящихся под высоким давлением и (или) с высокой температурой;
• для рабочих сред склонных к кристаллизации или полимеризации в зазоре пары трения при испарении жидкой фазы;
• для рабочих сред, содержащих твёрдые и абразивные включения;
• для рабочих сред, являющихся вредными веществами и оказывающими токсическое воздействие на человека и окружающую среду;
• для рабочих сред, являющихся легковоспламеняемыми или горючими.
Схемы расположения «тандем» и «спина к спине» являются наиболее распространенными и простыми по конструкции. Основное уплотнение разделяет рабочую среду и затворную жидкость, а вспомогательное уплотнение разделяет затворную жидкость и атмосферу. Для схемы «спина к спине» давление затворной жидкости всегда должно превышать давление рабочей среды на 0,05…0,2 МПа. Для схемы «тандем» давление затворной жидкости ниже давления рабочей среды. Температура и расход затворной смазочно-охлаждающей жидкости через уплотнительную камеру должны обеспечивать необходимый теплоотвод от колец пар трения обоих уплотнений для надежной работы всего уплотнительного узла.
Комбинированное уплотнение
В ряде случаев находят применение специальные комбинированные уплотнения, содержащие как основное торцевое, так и вспомогательное — радиальное или щелевое уплотнение. В качестве вспомогательного радиального уплотнения может применяться резиновая манжета. Затворная смазочно-охлаждающая жидкость циркулирует через уплотнительную камеру, обеспечивая необходимый и достаточный отвод тепла от колец пары трения, препятствуя утечке рабочей среды в атмосферу.
Специальный уплотнительный комплекс
При предъявлении более жестких требований к герметичности, надежности и продолжительному сроку службы для оборудования, связанного перекачиванием или перемешиванием сыпучих, особо вязких рабочих сред, склонных к полимеризации, кристаллизации или склеиванию [сахарные сиропы, мальтодекстрин, шоколадная масса, шоколадная и ореховая паста, патоки, сгущенное молоко, пенобетонные и бетонные смеси, гудроны, клея, лаки и т.п.] применяются специальные уплотнительные комплексы, содержащие несколько различных уплотнений — контактные торцевые или радиальные уплотнения, и динамическое щелевое уплотнение.
Выбор типа торцевого уплотнения
Обоснованный выбор типа торцевого уплотнения, а также материалов для его деталей основывается на инженерных расчетах и анализе опыта эксплуатации. Не существует единственного универсального решения, поэтому для обеспечения надежной и продолжительной работы уплотнительного узла применяются разные типы уплотнений в зависимости от параметров рабочей среды и особенностей эксплуатации. Если торцевое уплотнение часто выходит из строя, проработав меньше 1-3 месяцев с разрывом резинового сильфона или износом колец пары трения, целесообразно провести анализ [экспертизу] и выяснить возможные причины, после чего применить, более эффективное техническое решение, либо обеспечить необходимые условия для надежной работы уплотнительного узла.
Литература
Имеется множество технических справочников, книг и публикацией, посвящённых уплотнительной технике, и, в частности, торцевым уплотнениям. Такая техническая литература представлена хорошими отечественными инженерными справочниками, но особенно широко область уплотнительной техники раскрывается в зарубежных публикациях.
