Все новости

Главная » Статьи о торцевых уплотнениях » Торцевое уплотнение. Принцип работы. Стандарты и ГОСТ

© 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 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.

 

торцевые уплотнения различных типов

 

Конструктивное исполнение

Торцевое уплотнение конструктивно содержит два кольца пары трения, выполненные в виде поверхностей вращения, расположенных 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. 

эскиз торцевого уплотнения

Фотография торцевого уплотнения

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.

кольца пары трения торцевого уплотнения повышение температуры в работераспределение температуры в кольцах пары трения

 

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 зазор между этими деталями обычно не превышает 0.001 мм, однако для некоторых специальных конструкций этот параметр может быть увеличен в несколько раз. 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 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. 

сборочный чертеж уплотнения с техническими требованиями к посадочным поверхностям

 

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. 

компонентное и картриджное уплотнения

 

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.

материалы колец пары трения

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.

 

резиновые детали уплотнений

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 определяет линейку стандартных по установочным размерам уплотнений для диаметров валов от 10 мм до 100 включительно.  

 

евростантарт DIN EN 12756

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.

 

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.

вышедшие из строя уплотнения

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

контроль качества изготовления уплотнений

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. Монтаж и эксплуатация оборудования с установленным в него уплотнением должны выполняться только обученным и аттестованным персоналом с соблюдением всех положений соответствующих инструкций.

 

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. 

двойное торцевое уплотнение спина к спине

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. Специальный уплотнительный комплекс

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.комбинированное уплотнение

При предъявлении более жестких требований к надежности и продолжительному сроку службы для оборудования, связанного перекачиванием или перемешиванием особо вязких рабочих сред, склонных к полимеризации, кристаллизации или склеиванию [сахарные сиропы, патоки, сгущенное молоко, пенобетонные и бетонные смеси, гудроны, клея, лаки и т.п.] находят применение специальные уплотнительные комплексы, содержащие несколько различных уплотнений.

специальный уплотнительный комплекс

 

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 и выяснить причины происшедшего, после чего применить, по-возможности, более эффективное техническое решение, либо обеспечить необходимые условия для надежной работы уплотнительного узла.

 

обоснованный выбор типа уплотнения

 

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.

Книги и справочники по торцевым уплотнениям и уплотнительной технике