HighExpert.RU

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

Торцевое уплотнение ротационного соединения Deublin серии 6000

В одной из наших предыдущих публикаций была затронута тема проектирования и расчета уплотнений ротационных соединений. Такие прецизионные устройства служат для обеспечения герметичности между неподвижной частью оборудования (например, подводящей трубой или штуцером со шлангом) и вращающейся частью оборудования (например, каландером, барабаном, цилиндром или шпинделем) с целью прохождения рабочей жидкости как через неподвижную, так и через вращающуюся части оборудования. В настоящей статье мы вкратце рассмотрим и проанализируем конструкцию ремонтопригодного торцевого уплотнения ротационного соединения Deublin серии 6000, в частности, его аналога уплотнения, изготавливаемого в одной из стран Евразийского союза, а также приведем некоторые расчетные характеристики для этого уплотнения, сделаем обоснованные выводы и дадим рекомендации.
На рисунке ниже показана частично разобранная конструкция ротационного соединения серии 6000 производства компании Deublin. Специалистами этой компании были применены технические решения, позволившие спроектировать и изготовить ремонтопригодное гидравлически разгруженное торцевое уплотнение, обладающее неоспоримым преимуществом: возможностью быстрой замены вышедших из строя пар трения с вторичными уплотнениями на месте эксплуатации; при этом все корпусные металлические детали устройства могут использоваться многократно, благодаря чему возможно существенное сокращение эксплуатационных затрат. Предельные параметры ротационного соединения серии 6000 указаны в каталоге фирмы-изготовителя: вода или масло с тонкостью фильтрации не более 60 микрометров, с температурой не выше +120 градусов по Цельсию, избыточное давление до 10 Бар, максимальная скорость вращения 750 оборотов в минуту. Необходимо отметить, что указанные предельные параметры не могут сочетаться все вместе одновременно, торцевое уплотнение не предназначено для работы в условиях сухого трения (без жидкости, например, работа на пару не допускается) о чем чётко указано в инструкции и дополнительно на бирке ротационного соединения на фотографии ниже. В качестве материалов для колец пары трения применяется углеграфит по карбиду вольфрама как стандартный вариант и карбид кремния по карбиду вольфрама - специальное исполнение (E.L.S), обеспечивающее при определенных условиях повышенный срок службы устройства. ротационное соединение Deublin серия 6000 с ремонтопригодным торцевым уплотнением
Рисунок. Конструкция ротационного соединения Deublin серии 6000 с ремонтопригодным торцевым уплотнением.

На фотографии [см. Фото 1] показано ротационное соединение Deublin 6200 DN50 [вид сбоку и вид сзади]. Вышедший из строя образец пары трения уплотнения этого устройства был любезно предоставлен нам инженером-механиком одного из промышленных предприятий России. Два одинаковых ротационных соединения применяются для каландера, рабочей жидкостью является горячая вода (с возможным присутствием пара), имеющая температуру +120 градусов Цельсия с избыточным давлением от 3-х до 6-ти Бар при скорости вращения 750 оборотов в минуту. По данным инженера-механика в системе присутсвуют автоматические отводчики пара, сбросные клапана не допускают превышения давления в системе более 8...9 Бар; автоматика безопасности не позволяет запускать оборудование в работу без подачи насосом горячей воды через систему, содержащую два ротационных соединения и каландер, срок службы аналога торцевого уплотнения ротационного соединения при указанных параметрах 8...12 месяцев, а цена пары трения уплотнения с резиновыми кольцами - 10000 руб. ротационное соединение Deublin 6200 в сборе
Фото. 1. Ротационное соединение Deublin 6200 DN50.

Выполнив замеры деталей полученного аналога уплотнения нами были подготовлены эскизы его деталей, в том числе сборочный эскиз, приведенный ниже. эскиз аналога торцевого уплотнения ротационного соединения Deublin 6250
Эскиз. Сборочный эскиз аналога торцевого уплотнения ротационного соединения Deublin 6200 DN50.

Конструкция этого аналога торцевого уплотнения является гидравлически нагруженной и ремонтопригодной. Рабочая жидкость (в нашем случае горячая вода) подается с определённым расходом и упомянутыми выше параметрами к ротационному соединению, направление подачи этой жидкости показано стрелкой. Отличительной конструктивной особенностью уплотнения является подвижное в осевом направлении составное контркольцо, зафиксированное от возможного его проворота двумя неподвижными штифтами: это кольцо пары трения из карбида кремния установлено в стальную обойму. Ответное вращающееся кольцо пары трения изготовлено из аустенитной нержавеющей стали с напылением карбида вольфрама, надето на четыре штифта, расположенные под углом 90 градусов друг к другу. Передача крутящего момента к этому кольцу осуществляется за счёт упомянутых ранее четырех штифтов. Внутренняя площадь поверхности контркольца значительно превышает внутреннюю площадь поверхности вращающегося кольца. Герметичность ротационного соединения обеспечивается парой трения торцевого уплотнения, а также вторичными уплотнениями: двумя резиновыми уплотнительными кольцами, размещёнными в канавках, выполненных на торцах контркольца и вращающегося кольца, а также манжетой специальной формы между стальной обоймой и корпусом ротационного соединения. Начальное контактное давление в паре трения торцевого уплотнения создается набором из восьми мелких цилиндрических пружин сжатия.
На фотографии ниже [см. Фото 2] показано контркольцо с изношенной рабочей поверхностью. Осевой износ кольца из карбида кремния составляет достаточно большую величину ~0,8 мм [дальнейший износ ограничен осевой подвижностью резиновой манжеты]. На стальной обойме контркольца видны следы цветов побежалости - переходы цветов от светло соломенного до сине-фиолетового [см. Фото 2 и Фото 7], примечательно, что по заявлению инженера-механика новое контркольцо, содержащее стальную обойму, поставляется без каких-либо цветовых оттенков. изношенная поверхность контркольца уплотнения ротационного соединения
Фото 2. Изношенное контркольцо торцевого уплотнения ротационного соединения.

Изношенная рабочая поверхность этого контркольца с острой кромкой на внутреннем диаметре и со следами выровов и сколов на наружном диаметре видны на двух последующих фотографиях [см. Фото 3 и Фото 4]. рабочая поверхность контркольца ротационного соединения под увеличением
Фото 3. Изношенная рабочая поверхность контркольца с острой кромкой на внутреннем диаметре.
рабочая поверхность контркольца ротационного соединения под увеличением
Фото 4. Выровы и сколы на наружном диаметре изношенной рабочей поверхности контркольца.

На последующих фотографиях [см. Фото 5 и Фото 6] показано вращающееся кольцо с изношенной рабочей поверхностью. Оценочный осевой износ этого кольца с напылением карбида вольфрама составляет около 0,2 мм. Наибольший износ в виде концентрической канавки располагается ближе к наружному диаметру и соответствует контактной наружной кромке ответного контркольца. Цвет внутренней поверхности вращающегося кольца пары трения из нержавеющей аустенитной стали - золотисто-желтоватый. изношенное вращающееся кольцо уплотнения ротационного соединения
Фото 5. Вращающееся кольцо торцевого уплотнения ротационного соединения с изношенной рабочей поверхностью.
рабочая поверхность вращающегося кольца уплотнения под увеличением
Фото 6. Изношенная рабочая поверхность вращающегося кольца.

Как нами было ранее указано, контркольцо и вращающееся кольцо имеют канавки, в которые установлены резиновые уплотнительные кольца. Задняя часть контркольца изображена на фотографии [см. Фото 7]. На стальной обойме более чётко видны цвета побежалости, большее количество областей с сине-фиолетовыми оттенками примыкает к наружной повехности кольца из карбида кремния. задняя часть контркольца уплотнения ротационного соединения
Фото. 7. Задняя часть контркольца с резиновым уплотнительным кольцом.

Резиновое уплотнительное кольцо, установленное в канавку, выполненную на задней торцевой части контркольца, имеет следы износа в результате воздействия механических и температурных нагрузок [см. Фото 8], поверхность этого резинового кольца практически не выступает над кромкой канавки, остаточная деформация сжатия материала эластомера достигла критического значения при котором не может быть обеспечена герметичность в результате отсутствия необходимого контактного давления в соединении. резиновое кольцо в канавке контркольца ротационного соединения
Фото. 8. Вид на резиновое уплотнительное кольцо контркольца пары трения.

Аналогичная картина наблюдается при осмотре заднего торца вращающегося кольца пары трения уплотнения [см. Фото 9]: толщина резинового уплотнительного кольца сравнялась с глубиной канавки, остаточная деформация сжатия превысила предельное значение при котором не может быть обеспечена герметичность в результате отсутствия необходимого контактного давления в соединении. резиновое кольцо в канавке вращающегося кольца ротационного соединенияФото. 9. Вид на резиновое уплотнительное кольцо вращающегося кольца пары трения.
Попытка вытащить уплотнительное резиновое кольцо из канавки контркольца увенчалась успехом [см. Фото 10]. Уплотнительное резиновое кольцо приобрело в эксплуатации прямоугольную форму поперечного сечения, соответствующую размеру канавки, материал эластомера VITON практически не имеет эластичных упругих свойств. контркольцо и резиновое уплотнительное кольцо
Фото. 10. Контркольцо и его резиновое уплотнительное кольцо.

Попытка извлечь уплотнительное резиновое кольцо из канавки вращающегося кольца уплотнения провалилась [см. Фото 11]. Это уплотнительное резиновое кольцо приобрело в эксплуатации прямоугольную форму поперечного сечения, соответствующую размеру канавки, материал эластомера VITON полностью утратил эластичные упругие свойства. вращающееся кольцо и резиновое уплотнительное кольцо
Фото. 11. Вращающееся кольцо уплотнения и его резиновое уплотнительное кольцо.

Оценочные инженерные расчеты аналога торцевого уплотнения ротационного соединения Deublin 6200 DN50 выполнялись с помощью программного комплекса MSLC. Принималось, что горячая вода имеет расход через ротационное соединение около 105 литров в минуту, что соответствует скорости потока воды через уплотнение один метр в секунду [в связи с тем, что дополнительно запрошенные у инженера-механика данные по фактическому расходу воды, подачи насоса и т.п. параметрам нам предоставлены не были], температура воды на входе в ротационное соединение +120 градусов по Цельсию при избыточном давлении 3 Бара и 6 Бар соответственно, скорость вращения 750 оборотов в минуту. Результат распределения температур по сечениям колец пары трения торцевого уплотнения ротационного соединения показан ниже [см. Фигура 1]. распределение температур в паре трения торцевого уплотнения ротационного соединения
Фигура 1. Расчетное распределение температур в паре трения торцевого уплотнения ротационного соединения при перепаде давления 3 Бара.

Диаграмма давление P - температура t для термодинамического анализа торцевого уплотнения построена при избыточном давлении воды на входе в ротационное соединение 3 Бара (3 атмосферы), получена по результатам инженерных расчётов и продемонстрирована ниже [см. Фигура 2]. Из этой диаграммы следует, что работа аналога гидравлически нагруженного торцевого уплотнения ротационного соединения Deublin 6200 DN50 происходит на режимах близких к критическим, в условиях полусухого трения, где на большей части рабочей поверхности пары трения возникают условия для фазового перехода воды в пар, что приводит к нестабильной работе уплотнения: эффект "парового молота", а в англоязычной литературе это соответствует термину "puffing instability". Отсутствие гарантированной плёнки рабочей жидкости во всем зазоре пары трения торцевого уплотнения приводит к увеличению коэффициента трения и, соответственно, большему тепловыделению, повышается температура и возрастает усталостный износ рабочих поверхностей колец пары трения. Повышенная температура ускоряет старение эластомера из которого изготавливаются вторичные резиновые уплотнительные кольца. диаграмма давление - температура для торцевого уплотнения ротационного соединения при давлении 3 Бара
Фигура. 2. Диаграмма P - t для торцевого уплотнения ротационного соединения при избыточном давлении воды 3 Бара.

Таким же образом строилась диаграмма для термодинамического анализа торцевого уплотнения при избыточном давлении воды на входе в ротационное соединение 6 Бар (6 атмосфер), результат показан ниже [см. Фигура 3]. Повышение избыточного давления воды с 3-х Бар до 6-ти Бар позволило сместить рабочую точку на диаграмме левее кривой, соответствующей фазовому переходу воды из жидкого состояния в газообразное, даже несмотря на несколько большее тепловыделение и повышенную температуру в зазоре колец пары трения торцевого уплотнения. Однако, даже в этом случае не получается полностью обеспечить наличие пленки рабочей жидкости в зазоре пары трения, поэтому возможно проявление эффекта "парового молота" и повышенный усталостный износ рабочих поверхностей уплотнения. диаграмма давление - температура для торцевого уплотнения ротационного соединения при давлении 6 Бар
Фигура. 3. Диаграмма P - t для торцевого уплотнения ротационного соединения при избыточном давлении воды 6 Бар.

По результатам проведеных оценочных инженерных расчётов прогнозируемый срок службы вторичных уплотнений при полученных значениях температур должен быть не менее 4600 часов для резинового кольца, установленого в канавку вращающегося кольца пары трения и 5300 часов для резинового кольца, установленого в канавку контркольца, что соответствует примерно 26-ти и 30-ти месяцам работы оборудования в одну смену, т.е. 8 часов в сутки. При работе каландера с ротационными соединениями по две смены в сутки (т.е. 16 часов в сутки), это соответствует 13-ти и 15-ти месяцам работы. Для прогнозируемых сроков службы эластомеров значения остаточной деформации сжатия достигают около 80% [толщина резиновых колец больше глубины их канавок], а материал резины имеет небольшие эластичные и упругие свойства и не рассыпается, как на предоставленном нам образце торцевого уплотнения. Наличие на стальной обойме контркольца областей с цветами побежалости от соломенного цвета до синевато-фиолетовых оттенков может свидетельствовать о работе торцевого уплотнения в критических режимах в условиях сухого трения (вода с паром), в результате локальная температура могла подниматься до +220...+280 градусов Цельсия, что привело к сокращению срока службы резиновых уплотнительных колец в эксплуатации и значительному усталостному износу твердых материалов рабочих поверхностей колец пары трения торцевого уплотнения.
Выводы:
  • предоставленный нам аналог гидравлически нагруженного торцевого уплотнения ротационного соединения не соответствует по конструкции и характеристикам оригинальному гидравлически разгруженному уплотнению Deublin 6200 DN50;
  • примененные в аналоге торцевого уплотнения материалы для колец пары трения WC/SS - SIC не рекомендуются и не предназначены для надежной и продолжительной работы в горячей воде с температурами, близкими к фазовому переходу жидкости в пар;
  • наличие цветов побежалости от светло соломенного на вращающемся кольце из аустенитной нержавеющей стали и сине-фиолетовых оттенков на стальной обойме контркольца, а также потеря эластичности и упругости резиновых уплотнительных колец, свидетельствуют о повышенных температурах [более +220 градусов Цельсия] в паре трения уплотнения в эксплуатации, что приводит к более интенсивному усталостному износу рабочих поверхностей колец пары трения и существенному сокращению срока службы вторичных уплотнений;
  • применение в конструкции ротационного соединения резиновой манжеты ограничивает осевую подвижность контркольца и при его увеличенном износе невозможности создания необходимого контактного давления в паре трения для обеспечения герметичности уплотнения.
Рекомендации для повышения срока службы уплотнения ротационного соединения:
  • провести проектно-расчетную работу с целью изменения конструкции уплотнения, обеспечив необходимую гидравлическую разгрузку, улучшенный теплоотвод и осевую подвижность контркольца;
  • выбрать материалы колец пары трения уплотнения, обладающие более высокой теплопроводностью, низким коэффициентом трения с возможностью кратковременной работы в условиях сухого трения;
  • выбрать материал для уплотнительных резиновых колец, обладающий улучшенной температурной и химической стойкостью к воздействию горячей воды с паром;
  • в эксплуатации обеспечить необходимое давление и расход горячей воды без пара через ротационное соединение, это позволит отвести тепло от поверхностей уплотнительных колец и сохранить наличие пленки рабочей жидкости в зазоре пары трения для стабильной работы торцевого уплотнения.
Наша группа специалистов выполняет по техническому заданию заказчика комплекс проектно-расчетных работ по модернизации и импортозамещению торцевых уплотнений ротационных соединений с последующим изготовлением опытных образцов уплотнений.

26.09.2018