ТОРЦОВЫЕ (МЕХАНИЧЕСКИЕ) УПЛОТНЕНИЯ НАСОСА
Принцип работы торцового уплотнения. Основные детали торцового уплотнения. Разгруженные (сбалансированные) уплотнения.
Преимущества торцовых уплотнений по сравнению с сальниковым.

  1. Механические потери. Торцовые уплотнения имеют гораздо меньшие механические потери по сравнению с сальниковым. Сальниковое уплотнении является одним из наибольших источников механических потерь в насосе.
  2. Износ втулки вала. Защитная втулка под сальником подвержена износу, особенно если в перекачиваемой жидкости присутствуют абразивные вещества или если сальник затянут слишком сильно. При использовании торцового уплотнения этот износ втулки вала исключается.
  3. Герметичность. Сальник должен пропускать минимум 60 капель в минуту, для того чтобы обеспечить смазку и отвод тепла, в то время как утечка из большинства торцовых уплотнений при нормальной работе практически равна нулю. Это особенно важно, когда перекачиваемая жидкость является коррозионной, летучей, токсичной или радиоактивной. Утечки через торцовое уплотнение близки к нулевым.
  4. Затраты на обслуживание. Если уплотнение правильно подобрано для условий эксплуатации, если насос правильно отцентрирован и отбалансирован в нем отсутствует вибрация от других источников, а также если уплотнение оборудовано вспомогательными системами, то торцовое уплотнение требует меньшего периодического обслуживания, чем сальниковая набивка. В целом, насосы с торцовыми уплотнениями более чувствительны к нарушению центровки, дисбалансу и вибрациям, чем насосы с сальником.
  5. Регулировка. В торцовых уплотнениях отсутствует необходимость в регулировке.
  6. Высокое давление и скорость. Торцовые уплотнения способны работать при более высоком давлении и могут использоваться в насосах с высокой частотой вращения, в отличие от сальникового уплотнения.
  7. Температура. Торцовые уплотнения могут работать при в широком диапазоне температур.
Торцовые уплотнения.
Применение торцовых (механических) уплотнений.
Торцовые уплотнения могут применяться практически в любых условиях и используются во многих областях применения, где не может быть использована сальниковая набивка.
Основные причины применения торцовых уплотнений:
  • Низкая утечка и более длительный срок службы, чем у набивки.
  • Отсутствие необходимости периодической регулировки, как в случае с набивкой.
  • Способность герметизации при более высоких давлениях и скоростях вращения вала, чем у набивки.
  • Для всех, кроме самых простых насосов низкого давления для воды, торцовое уплотнение будет более дорогим решением и потребует гораздо более детального подбора для конкретной перекачиваемой жидкости. (Всегда необходимо предоставить производителю насоса полную информацию о перекачиваемой жидкости, включая описание жидкости, давление всасывания и нагнетания, температуру и состояние жидкостей [например, тип содержащихся твердых частиц, если таковые имеются]. Обычно это можно сделать, заполнив соответствующие листы данных, которые поставляются как часть других стандартов ANSI/HI/API/ISO).

Трубопроводы идущие к камере торцового уплотнения, имеют разную конструкцию в зависимости от типа насоса и условий эксплуатации. Процесс выбора схемы трубопроводов промывочной или циркуляционной жидкости достаточно сложный, и пользователю настоятельно рекомендуется тщательно обсудить этот момент как с производителем насоса, так и, возможно, с производителем торцового уплотнения. Более подробная информация о планах промывки приведена в стандарте API 682 (ISO 21049).
Специалист должен тесно общаться с производителем насоса в процессе разработки технических требований для заказа насоса. Ниже приведены некоторые важные моменты:
  • Производитель может лучше всего посоветовать, является ли указанное торцовое уплотнение правильным выбором, основываясь на своих знаниях и опыте эксплуатации насосов и уплотнений. Производитель может лучше посоветовать, подойдет ли указанное уплотнение ккамере торцового уплотнения его насоса.
  • Производитель может лучше посоветовать, будут ли материалы уплотнения совместимы с перекачиваемым продуктом. При наличии множества типов торцовых уплотнений рекомендуется предоставить производителю насоса полную информацию об условиях эксплуатации, а не вписать конкретные типы и марки уплотнений.
Принцип работы торцового уплотнения.
В насосе всегда есть зоны с высоким и низким давлением жидкости. Также есть вращающиеся и неподвижные детали. Вал насоса входит в корпус насоса. Необходим узел который бы препятствовал выходу жидкости из корпуса насоса наружу.
Для того чтобы понять конструкцию торцового уплотнения Давайте последовательно рассмотрим возможные варианты уплотнения вала и втулка на валу и возможные пути утечек жидкости которые необходимо уплотнить.
Одна из проблем которая присутствует в данной конструкции это зазор между валом и втулкой. Даже небольшого зазора достаточно чтобы жидкость попала наружу. В данном случае присутствует утечка по валу насоса. Как процессы которые возникают в процессе работы насоса могут повлиять герметичность уплотнения вала. Конструкция торцовых уплотнений разрабатывались с учетом рабочих процессов и конструкции насосов.
Для того чтобы решить эту проблему можно установить резиновое кольцо. Добавим резиновое кольцо. Которое предотвратит утечку по валу. В данном случае резиновое кольцо будет элементом которое определяет срок службы уплотнения. Срок службы около 10 лет. Материал зависит от температуры и химического состава жидкости Можно использовать разные материалы. Например PTFE.
Кольцо предотвращает утечки по валу. Но износ пары трения может привести к увеличению утечки.
При работе насоса вал насоса совершает вращательное и но и также осевое движение Что влияет на контакт в паре трения. Увеличивается зазор увеличиваются утечки. В подшипниках есть зазоры термические расширения вала или корпусных деталей. Поэтому необходимо устройство, которое будет подстраивать адаптировать и держать поверхности прижатыми друг другу.
Вал насоса совершает вращательное и осевое движение Главное условие работы торцового уплотнения – это сохранение плотного прилегания поверхностей пар трения и обеспечения подвода жидкости между парами.
Что влияет на износ пары трения. Зазор увеличивается увеличиваются утечки В подшипниках есть зазоры, термические расширения вала или корпусных деталей. Нам необходимо устройство которое будет компенсировать эти перемещения вала и держать поверхности прижатыми друг другу.
Одним из способов решение этой проблемы является введение в конструкцию пружины или гибкого элемента. На рисунке показан спиральная пружиной но могут быть применены несколько маленьких пружин или тарельчатая пружина
Пружина позволяет сохранять контакт между поверхностями и компенсировать осевой смещение вала. Также пружина обеспечивает контакт при неработающем насосе.
Но мы по прежнему имеем следующие проблемы. Выделение тепла в зоне контакта пар трения. И утечка между деталями. Массивная деталь которая служи в качестве одной из пар трения. В случае ее износа потребуется ее полная замена.
Для того чтобы решить эти проблемы мы вводим в конструкцию торцового уплотнения ответное кольцо которое неподвижно. Также для уплотнения разъема мы вводим в конструкцию прокладку.
Итак мы получили стандартную конструкцию торцового уплотнения. Всего уплотнение включает 5 основных элементов. Которое состоит из следующих основных элементов. Пары трения – стационарное кольцо (седло) и подвижное кольцо. Пружина, которая обеспечивает постоянный контакт пар трения уплотнения. Вторичные уплотнения, которые обеспечивают герметичность неподвижных соединений.

Стационарное кольцо пары трения («седло»), с уплотнительным кольцом.
Для того чтобы решить эти проблемы мы вводим в конструкцию торцового уплотнения ответное кольцо которое неподвижно. Также для уплотнения разъема мы вводим в конструкцию прокладку.
Итак мы получили стандартную конструкцию торцового уплотнения. Всего уплотнение включает 5 основных элементов. Которое состоит из следующих основных элементов. Пары трения – стационарное кольцо (седло) и подвижное кольцо. Пружина, которая обеспечивает постоянный контакт пар трения уплотнения. Вторичные уплотнения, которые обеспечивают герметичность неподвижных соединений.

Стационарное кольцо пары трения («седло»), с уплотнительным кольцом.
Детали торцового уплотнения.
Детали торцового уплотнения.
Принято считать что в торцовом уплотнении есть три места уплотнения. Первое основное уплотнение образованное парой т рения стационарного и подвижного кольца и вторичное уплотнение. Иногда уплотнение стационарного кольца и корпуса называют третичным уплотнением но в соответствии с последними редакциями стандарта API этот термин больше не используется это уплотнение также называется вторичным уплотнением.
Торцевое уплотнение должно содержать четыре функциональных элемента:

  1. Первичное уплотнение.
  2. Вторичные уплотнения.
  3. Прижимное устройство,
  4. Приводное устройство.

  1. Первичные уплотнительные поверхности (пара трения) являются основой устройства. Наиболее распространённая комбинация состоит из твердого материала, например, карбида кремния, установленного в корпус насоса, и более мягкого материала, например, углерода, в узле вращающегося уплотнения. В зависимости от химических свойств жидкости, давления и температуры могут использоваться многие другие материалы. Эти два кольца находятся в тесном контакте: одно кольцо вращается вместе с валом, другое неподвижно. Эти два кольца обрабатываются методом притирки для достижения необходимой степени плоскостности.
  2. Вторичные уплотнительные поверхности (их может быть несколько) – это те точки уплотнения, которые требуют создания барьера для жидкости, но не вращаются относительно друг друга.
  3. Для поддержания плотного контакта двух первичных уплотнительных поверхностей необходимо предусмотреть дополнительное устройство. Обычно это обеспечивается пружиной. В сочетании с пружиной это может также обеспечиваться давлением уплотняемой жидкости.
  4. Первичные уплотнительные поверхности должны быть единственными частями уплотнения, которые могут вращаться относительно друг друга; они не должны вращаться относительно частей уплотнения, которые их удерживают. Для предотвращения вращения должен быть предусмотрен привод.
Первичный (основной) элемент уплотнения.

Первичное (основное) уплотнение состоит из подвижного и неподвижного (седло) уплотнительных колец. Их также часто называют уплотнительными поверхностями или парами трения.
Неподвижное кольцо обычно изготавливается из керамики или металлокремического композита (металлокерамика), в то время как подвижное кольцо может быть изготовлено из графита, керамики или металлокерамика.
Одно из этих колец будет установлено на вращающийся вал, а другое будет установлено на стационарный корпус оборудования.
Тонкая пленка жидкости между первичным кольцом и ответным кольцом необходима для смазки рабочих поверхностей уплотнения, но это является основным путем для утечки через торцовое уплотнение. Минимизация этой утечки является важным аспектом конструкции торцового уплотнения. Даже минимальное смещение вала может значительно повлиять на утечку, изменяя толщину пленки жидкости. Чтобы решить эту проблему, одно кольцо уплотнения должно допускать некоторое осевое перемещение относительно его места крепления (вала, либо корпуса), в то время как ответное кольцо разработано таким образом, чтобы избегать относительного осевого перемещения. Первичные кольца оранжевые, а ответные кольца красные на рисунках.
УСЛОВИЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ И РЕСУРСА ТОРЦОВОГО УПЛОТНЕНИЯ
Уплотнение должны работать с малой утечкой и приемлемой сроком и надежностью.

Надежная работа достигается за счет сохранения минимальной, но достаточно толстой пленки между уплотняющими поверхностями. Обычно толщина пленки жидкости составляет менее 1 мкм, что соответствует максимальным величинам шероховатости поверхности.

Конструкция уплотнения представляет собой компромисс между наличием пленки жидкости достаточной толщины для обеспечения необходимой смазки и длительного срока службы уплотнения с одной стороны, и ее максимальной толщиной для минимизации утечек с другой стороны.

Поверхности уплотнительных поверхностей выравниваются, как правило, с точностью до одной или двух световых полос для уплотнений обычного размера. Это означает, что плоскостность составляет от 0,3 до 1,0 мкм в зависимости от используемого источника света.
Контакт, сухое трение, сильный нагрев, очень быстрый износ, разрушение и выход из строя.
















Нет контакта, жидкостное или пограничное трение, медленный износ, умеренный нагрев, продолжительная работа
Пленка жидкости между поверхностями составляет 0,5-3 мкм для сравнения толщина человеческого волоса 60 мкм. Уточки необходимы для обеспечения работы торцового уплотнения. Во многих случаях утечки являются незаметными и складывается впечатление о том что торцовое уплотнение не имеет утечек. Это происходит потому что утечки могут испаряться сразу при выходе из зазора.
Режимы трения между парами трения торцовых уплотнений.
Чем больше зазор тем больше утечка . Величина утечек зависит от величины зазора в кубе. В некоторых уплотнениях величина утечек может меняться В некоторых уплотнениях относительно большая величина утечек может быть приемлемой. Это зависит от условий эксплуатации
Зависимость утечки и зазора кубическая. Т.е. при увеличении зазора в 2 раза утечка увеличивается в 8 раз.
Жидкостная пленка между парами трения.

Толщина жидкостной пленки между уплотнительными поверхностями является важным фактором, определяющим работоспособность торцевого уплотнения.

Уплотнение с толстой смазочной пленкой практически не изнашивается, поскольку пленка принимает на себя большую часть нагрузки от силы смыкания, и между самими уплотнительными поверхностями фактически нет контакта. Это означает длительный срок службы, но высокую утечку. Это называется «жидкостным трением».

Если смазочная пленка слишком тонкая, сами уплотнительные поверхности принимают на себя большую часть нагрузки при непосредственном контакте друг с другом и без сколько нибудь значительного влияния смазочной пленки. В этом случае утечка будет очень низкой, но ожидаемый срок службы уплотнения будет коротким из-за чрезмерного износа. Это называется «граничная смазка или сухое трение».

Оптимальным режимом для торцевого (механического) уплотнения является режим, который называется «полужидкостная или смешанная смазка». Это означает, что смыкающее усилие от пружины и давления жидкости воспринимается как гидродинамической смазочной пленкой, так и прямым контактом между уплотнительными поверхностями.
Идеально плоские поверхности уплотнения не способны создать надлежащую гидродинамическую жидкостную пленку между поверхностями уплотнения, но неизбежные микроскопические неровности и отклонения от идеальной плоскостности поверхностей уплотнения способствуют созданию такой пленки.

С увеличением нагрузки на поверхности уплотнения режим трения изменяется от «полужидкостной или смешанной смазки» к «граничной смазке или сухому трению». В какой-то момент нагрузка достигает критической точки, где повышенное контактное давление материала приводит к заклиниванию уплотнения. Эта критическая точка нагрузки зависит от материала поверхности уплотнения, коэффициента разгрузки и способности конструкции уплотнения рассеивать тепло.

Толщина пленки между парами трения имеет очень важное значение

  • Слишком тонкая – износ, который приведет к быстрому выходу уплотнения из строя.
  • Слишком толстая – видимые утечки.

Необходимо соблюдать следующие условия:

  • Исключить работу на сухую.
  • Исключить попадание механических примесей и абразивного износа.
  • Обеспечить вязкость жидкости в требуемом диапазоне.
  • Контролировать температуру жидкости.
  • Обеспечить требуемой давление в камере торцового уплотнения.
УТЕЧКИ В ТОРЦОВЫХ УПЛОТНЕНИЯХ
НЕ БЫВАЕТ АБСОЛЮТНО ГЕРМЕТИЧНЫХ УПЛОТНЕНИЙ!
  1. Стандартное торцевое (механическое) уплотнение не может работать «на сухую». В зазоре между стационарным и вращающимся кольцами пары трения обязательно должна быть жидкость, иначе уплотнение выйдет из строя.
  2. Эта жидкость постоянно протекает через зазор в паре трения направлении со стороны высокого давления в область низкого давления.
  3. Торцевое уплотнение течет всегда! Даже если внешне это не заметно.
  4. Жидкость в зазоре пары трения – это та же среда, которая находится со стороны высокого давления.

В торцевых (механических) уплотнениях между торцами всегда присутствует незначительное количество жидкости. Эта жидкость необходима для смазки, поэтому цель не состоит в том, чтобы полностью предотвратить попадание жидкости между торцами уплотнения.

Напротив, цель состоит в том, чтобы удержать утечку жидкости на низком и приемлемом уровне. Наиболее важным критерием для достижения минимального уровня утечки является плоскостность поверхностей пар трения уплотнения.
Независимо от всех других элементов конструкции, если поверхности уплотнения не плоские, то повышенная утечка неизбежна. Для достижения требуемой плоскостности торцы уплотнения должны быть обработаны с очень малыми допусками и рассчитаны на сохранение плоскостности при механических и тепловых нагрузках во время эксплуатации.
При соблюдении этого основного условия можно достичь очень низких показателей утечки.
На следующем слайде показан график максимальной ожидаемой утечки для уплотнений Flygt.
Невозможно дать точное значение утечки уплотнения, поскольку оно сильно зависит от условий эксплуатации. У большинства уплотнений утечка будет значительно ниже значения, указанного на графике, в то время как некоторые из них при сложных условиях эксплуатации достигают или даже превышают предельное значение утечки.
Условия эксплуатации, которые оказывают сильное влияние на утечку, - это вибрация, кавитация и свойства уплотняемой среды.
Допускаемый объем утечек через торцовые уплотнения для Ньютоновских жидкостей , мл/ч
Утечки по стандарту API682.
Пункт 10.3.2.3 стандарта API 682 4-е изд. Ограничивает допустимую утечку торцевого уплотнения значением 5,6 г/час на одну пару трения (примерно 2 капли в минуту). Но этот пункт относится к квалификационным испытаниям торцевого уплотнения на заводе-изготовителе, т.е. к новому изделию. Нигде не прописано, какая предельно допустимая утечка должна быть во время эксплуатации.

Стандарт API 682 4-е изд. для API плана 53 (буферная жидкость под давлением) требует обеспечить расчетную периодичность пополнения резервуара не чаще, чем раз в 28 дней, при двойной нормальной утечке, по сравнению с расчетной (на базе квалификационных тестов уплотнения). При этом, полный объем буферной жидкости в резервуаре должен быть не менее 12 л для торцевых уплотнений на диаметр вала менее 60 мм, и не менее 20 л для диаметра вала более 60 мм (по отметке нормального уровня NLL). Но рабочий объем буферной жидкости в резервуаре (от нормального уровня до минимального уровня LLA, на котором должна срабатывать Тревога по низкому уровню в бачке) обычно значительно меньше, составляет несколько литров.
Вторичные уплотнительные элементы.
Вторичные уплотнительные элементы — это элементы, которые предотвращают все другие потенциальные пути утечек, обеспечивая герметичность первичных уплотнительных элементов на валу или в корпусе. В отличие от первичных уплотнительных элементов, вторичные уплотнительные элементы предназначены для полного предотвращения утечки. Им не требуется утечка для смазки.

Динамические вторичные уплотнительные элементы могут либо двигаться относительно вала, либо деформироваться, для чтобы адаптироваться к осевому смещению уплотнительного кольца пары трения или компенсации износа.
Классификация торцовых уплотнений.
Сальниковые уплотнения насосов.
Принцип работы сальникового уплотнения. Установка регулировка сальникового уплотнения.
Поломки сальниковых уплотнений.
Замена сальниковых уплотнений.
Установка сальника, регулировка сальника.
Торцовые уплотнения. Принцип работы.
Принцип работы торцовых уплотнений.
Одинарные торцовые уплотнения.
Конструкция одинарного торцового уплотнения. Разгруженное торцовое уплотнение.
Двойные торцовые уплотнения.
Конструкции двойных торцовых уплотнений. Типы двойных торцовых уплотнений.
Уплотнения по стандарту API 682.
Планы по стандарту API 682.
Другие темы курса "Принцип действия насоса. Характеристики насоса".
ДРУГИЕ КУРСЫ О НАСОСАХ.
Курсы по насосному оборудованию
  • Регулирование насосов.
    Частотное регулирование. Параллельная работа насосов, Дроссельное регулирование (регулирование задвижкой). Подрезка рабочего колеса. Комбинированные способы регулирования насосов. Воздух в насосе.
    Перейти
  • Кавитация.
    Кавитационный запас насоса. Виды кавитационных запасов (критический, допускаемый). Располагаемый кавитационный запас системы. Условие работы насоса без кавитации. Способы устранения кавитации.
    Перейти
  • Эксплуатация насосов.
    Монтаж насоса. Фундаменты. Всасывающие и нагнетательные трубопроводы. Монтаж трубопроводов. Усилия от трубопроводов на патрубки насосов. Пуск и останов насосов. Фильтры на входе в насос.
    Перейти
  • Типы насосов. Насосы по API 610.
    Основные типы насосов по конструкции. Типы насосов по API 610. Требования стандарта API 610.
    Перейти
  • Уплотнения в насосах. Уплотнения по API 682.
    Сальникове уплотнения. Торцовые уплотнения. Одинарные уплотнения. Двойные уплотнения. Выбор уплотнения.
    Перейти
  • Надежность насосов.
    Причины поломок насосов. Причины выхода из строя подшипников, уплотнений. Обслуживание и ремонт. Обеспечение надежной работы насосов. Как сократить количество ремонтов насосов.
    Перейти
  • Подшипники в насосах.
    Подшипники качения. Подшипники скольжения. Способы смазки. Причины выхода из строя.
    Перейти
  • Аудит насосных систем.
    Обследование насосных систем. Измерение параметров насосов на объекте (подача, напор, мощность). Способы увеличения эффективности насосной системы.
    Перейти
Made on
Tilda