Торцевые уплотнения для насосов. Обоснованный выбор материалов

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 ["неквалифицированных заказчиков"] всегда возникает резонный вопрос:

У продавца [в "капстране"] рождается мысль:

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.

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".

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 градусов Цельсия 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.

Цена 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.

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.

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.

С 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

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

Получаем, 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 комплекта уплотнений с парой трения из металлокерамики и резины на основе фторкаучука (VITON).

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.

Здесь 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 в течение пяти 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.

Торцевое уплотнение (вариант 2), работа в масле с температурой +80...+100^oC через ~12 месяцев эксплуатации

Торцевое уплотнение (вариант 3), работа в масле с температурой +80...+100^oC через ~14 месяцев эксплуатации

Выводы