Все новости

Главная » Статьи о торцевых уплотнениях » Торцевые уплотнения для насосов. Обоснованный выбор материалов

© к.т.н. Шепелёв В.А., инж. Шепелёв А.В.

 

Торцевые уплотнения для насосов. Обоснованный выбор материалов

или зачем носить дорогие кожаные ботинки, когда домашние тапочки дешевле в разы


Торцевые (механические) уплотнения являются прецизионными уплотнительными устройствами и находят широкое применение в качестве уплотнительных элементов для насосов, с целью герметизации их вращающихся валов, проходящих через рабочие полости, находящиеся под давлением перекачиваемой жидкости. В зависимости от типа этой жидкости, ее физических и химических свойств, давления, скорости вращения вала и рабочей температуры, используются различные типы уплотнений, детали которых могут быть изготовлены с применением широкого спектра материалов. Рациональный выбор материалов для колец пары трения и резиновых вторичных уплотнений, в значительной мере, определяет надежность, срок службы и герметичность всего уплотнительного узла насоса. 

Домашние тапочки против кожаных ботинок

В условиях рыночных экономических отношений главной целью является экономия денежных средств при получения максимальной прибыли. 

 

У покупателей всегда возникает резонный вопрос:

Зачем покупать дорогое, если есть возможность купить "почти то же", но в разы дешевле? И как обосновать более дорогую покупку?

 

У продавца возникает мысль:

Для чего клиенту предлагать что-то дорогое, когда можно "впарить" и то, что дешевле, а потом с периодичностью продавать то же самое, обеспечив себе постоянство продаж и получение прибыли.

 

Торцевые уплотнения для насосов графит-керамика

Возьмем для примера обычные домашние тапочки... будем считать, что это эквивалент торцевых уплотнений с материалами графит-керамика (CAR/CER/NBR или BR1C1), которые в последние годы широко рекламируются в качестве универсальных уплотнителей для установки практически в любые насосы.

 

торцевые уплотнения CAR CER NBR для насосов

Стоимость этих тапочек (т.е. уплотнений) относительно невысока, для среднего размера ноги (диаметра вала) - около 1500 руб. Ясно дело, что надежные и долговечные ботинки из натуральной износостойкой кожи не возможно купить за такую денежную сумму, здесь придется раскошелиться, как минимум, на 9000 рублей. Это будет в 6 раз дороже!

 

Задавались ли Вы вопросом, для чего мне эти дорогие кожаные ботинки (или какие-то там уплотнения с более дорогими материалами), если можно и в домашних тапочках спокойно ходить и дома и по улице?

 

Но вот незадача: сухое теплое лето сменилось дождями, а тапочки не были рассчитаны на носку в этих неблагоприятных условиях, они размокли и впоследствии развалились. А ведь не прошло и месяца! Ходил дядя Вася в домашних тапочках почти целый месяц и дома и по улице и потратил на них всего 1500 руб., чистая разовая экономия: 9000 - 1500 = 7500 рублей. Его сосед - дядя Петя, экономить не стал и купил себе обувь получше: кожаные ботинки.

 

Но тапки дяди Васи приказали долго жить... Тогда купил дядя Вася себе ещё одну пару такой же универсальной обуви, которой хватило снова примерно на месяц, купил третью пару, а результат тот же. Прошло полгода, дядя Вася как-то встретил своего соседа дядю Петю, и сообщил: "Вот, хотел сэкономить, и почти что получилось, но в итоге 9000 рублей потратил на всё не считая потерянного времени и здоровья". На что дядя Петя усмехнулся и ответил: "Скупой платит дважды. Я не настолько богат, чтобы покупать дешевые вещи: cвои кожаные ботиночки уже полгода ношу, хорошо, удобно и еще, надеюсь, год носить их буду".

 

Так к чему все эти истории про домашние тапочки и кожаные ботинки, спросите Вы, если речь в статье шла про торцевые уплотнения насосов?

- Здесь прослеживается та же самая аналогия.

 

Цена торцевых уплотнений для насосов

Рассмотрим пример, в котором имеется три одинаковых по габаритно-присоединительным размерам гидравлически нагруженных торцевых уплотнения (например, Джон Крейн 2100, BS2100 или других аналогичных по конструкции, которые применяются для многочисленных циркуляционных насосов) с материалами CAR/CER/NBR (вариант 1) , CAR/SIC/HNBR (вариант 2) и TC/TC/VITON (вариант 3). Насос продолжительно работает и перекачивает чистое фильтрованное масло с температурой в уплотнительной камере насоса +80 град С при перепаде давления на уплотнении не более 5 Бар.

 

Первое, что обычно интересует покупателей - это цена. Ниже приведен график, показывающий относительную цену уплотнений для рассматриваемых вариантов.

относительная цена торцевых уплотнений с разными материаламиЦена уплотнения для насоса с материалами CAR/CAR/NBR (графит - керамика Al2O3 или обозначение BR1C1) принята нами за единицу. Уплотнения с более дорогими материалами стоят дороже: углеграфит - карбид кремния с улучшенной маслобензостойкой резиной (CAR/SIC/HNBR) - примерно в 2,5 раза дороже, со специальными металлокерамическими кольцами пары трения и эластомером из фторкаучука (TC/TC/VITON) - почти в 5 раз дороже.

 

На первый взгляд, если остановиться только на цене, выбор уплотнения вполне очевиден: только графит - керамика и маслобензостойкая резина CAR/CER/NBR или BR1C1 (т.е. покупаем и носим "домашние тапочки"), но не всё так просто...

 

Срок службы до предельного износа и ресурс уплотнений

Пойдём несколько дальше и выполним оценку по вероятностному сроку службы пары трения рассматриваемых уплотнений, а также ресурсу эластомеров в эксплуатации. В первом случае график получен в предположении максимального износа колец пары трения на величину до 1,5 мм, оценка проведена исходя из известных величин износов материалов колец пары трения в эксплуатации.

вероятностный срок службы пары трения уплотнений CAR/CER/NBR

Сразу бросается в глаза тот факт, что самое дешевое уплотнение (материалы CAR/CER/NBR) может проработать чуть больше полугода, второй вариант может эксплуатироваться до примерно полутора лет, а третий показывает исключительный срок службы до предельного износа колец пары трения - более двух с половиной лет. Если условия работы будут менее благоприятные, и, например, в перекачиваемой насосом жидкости будут присутствовать абразивные частицы, то дешевые варианты уплотнений 1 и 2 дополнительно существенно проиграют варианту 3. При неизбежном ухудшении технического состояния насоса в эксплуатации, в особенности связанном с частой его разборкой и сборкой для замены вышедшего из строя уплотнения, первые два варианта уплотнений износятся ещё быстрее последнего.

 

Оценочный ресурс эластомеров уплотнения насоса получен исходя из известных экспериментальных данных и на основе программного комплекса MSLC

Оценочный ресурс резиновых деталей торцевых уплотненийС резиновыми деталями уплотнений и их оценочным ресурсом картина ещё более резкая: маслобензостойкая резина NBR поработает в масле около полугода, улучшенная маслобензостойкая резина (HNBR) продержится почти год, а более дорогой фторкаучук (VITON) может противостоять старению около пяти лет.

 

Количество торцевых уплотнений для насоса

Идем ещё дальше и рассчитаем исходя из определенных ранее данных необходимое количество торцевых уплотнений, которых потребуется на 5 лет непрерывной работы насоса - эту цифру мы взяли исходя из возможного минимального срока службы насосного агрегата.

Количество уплотнений за 5 лет работы насосаПолучаем, что за время эксплуатации насоса в течение упомянутого выше периода времени нам бы потребовалось заменить:

  • не менее 12 штук уплотнений графит - керамика Al2O3 и резина NBR (кодировка BR1C1);
  • не менее 7 штук уплотнений с материалами углеграфит - карбид кремния и улучшенной маслобензостойкой резины HNBR ;
  • всего 2 штуки уплотнений с парой трения из металлокерамики и резины на основе фторкаучука (VITON).

 

Но позвольте, заметит думающий читатель, ведь каждая замена уплотнения потребует останова насоса, затрат времени на его разборку, демонтаж вышедшего из строя уплотнения, установку нового уплотнения, последующую сборку насоса, не говоря уже о затратах времени и денег на останов производственного цикла и сопутствующих потерь в прибыли в результате простоя оборудования! Кроме того, техническое состояние насоса будет ухудшаться с каждой сборкой-разборкой этого агрегата в результате замены вышедшего из строя уплотнения, поэтому потребуется проверять это состояние при каждой операции, связанной с заменой уплотнения вала в соотвествии с инструкцией на оборудование.

 

Обоснованный выбор материалов уплотнения

Определимся со стоимостью работ по замене торцевых уплотнений для всех трех рассматриваемых вариантов за пять лет эксплуатации насоса в предположении, что час работы высококвалифицированного обученного и аттестованного специалиста имеет цену порядка 1000 рублей, а на разборку насоса, проверку его технического состояния, замену уплотнения на новое и сборку оборудования затрачивается, как минимум, два часа, при этом предположим, что инфляция составляет около 8% в год. 

Оценочная стоимость работ по замене торцевых уплотнений за 5 лет работы насосаЗдесь ситуация складывается совсем не в пользу самого дешевого уплотнения с материалами BR1C1 (Вариант 1): стоимость работ за 5 лет превысила бы 25 000 руб. Вариант  2 уплотнения насоса CAR/SIC/HNBR потребует порядка 14 000 рублей за эти же годы. Наконец, более надежный и долговечный Вариант 3 (TC/TC/VITON) предполагает потратить около 4000 рублей за пятилетку.

 

Выполним окончательный расчет денежных затрат с учётом стоимости уплотнений при условии работы насоса 5 лет:

  • Вариант 1: графит - керамика Al2O3 резина NBR [CAR/CER/NBR или BR1C1]: 1500 руб x 12 шт. + 25 000 руб ~ 43 000 руб.
  • Вариант 2: углеграфит - карбид кремния улучшенная маслобензостойкая резина [CAR/SIC/HNBR]: 3750 руб. x 7 шт. + 14 000 руб. ~ 40 000 руб.
  • Вариант 3: металлокерамика оба кольца и резина на основе фторкаучука [TC/TC/VITON]:  7500 руб. x 2 шт. + 4000 руб. ~  19 000 руб.

 

Таким образом, проведенный выше анализ позволяет сделать экономически обоснованный выбор материалов уплотнения*: победителем по минимальным затратам в эксплуатации оказывается более дорогое уплотнение насоса (иными словами "кожаные ботинки" оказались долговечнее "домашних тапочек") в (43 000 / 19 000) ~ 2.2 раза. Экономия за пять лет эксплуатации насоса при использовании уплотнения с материалами TC/TC/VITON вместо CAR/CER/NBR(BR1C1) составит примерно: 43 000 рублей - 19000 рублей ~ 24 000 рублей.

 

Статья по теме: Торцевое уплотнение - выбор по размерам и параметрам


Выводы

1) Хорошее не может стоить очень дёшево.

2) Политика некоторых компаний покупать дешевые уплотнения CAR/CER/NBR (BR1C1) может иметь обратный экономический эффект в эксплуатации.

3) Торцевые уплотнения насосов с материалом колец пары трения графит - керамика Al2O3 и резиной NBR [кодировка CAR/CER/NBR или BR1C1] не являются универсальными. 

4) Для клиентов нет никакого экономического смысла приобретать и устанавливать графитовые торцевые уплотнения для любых приложений, за исключением, пожалуй, чистой фильтрованной холодной воды.

5) Обоснованный выбор материалов колец пар трения и эластомеров торцевого уплотнения определяется на основе инженерных расчётов и опыта эксплуатации, при этом насос должен обеспечивать необходимые и достаточные условия для надежной и долговечной работы этого уплотнения.

6) Аналогичные оценки и выводы можно распространить на другие условия и рабочие жидкости.

 

*Оценка проведена на основе предположений, указанных в статье, базирующихся на экспериментальных данных.