HighExpert.RU


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

Торцевое уплотнение криогенного насоса

Статья посвящена тематике торцевых уплотнений центробежных насосов для перекачивания сжиженных природных газов (СПГ) и сжиженных атмосферных газов. С целью инновационного импортозамещения проведена предварительная проектно-расчётная работа, по результатам которой предлагается одно из возможных технических решений специального комбинированного уплотнения для отечественного криогенного насоса.
Сжиженный природный газ получают путём охлаждения до температуры -162oC; в процессе изменения фазового состояния плотность увеличивается примерно в 600 раз, в результате повышается удобство его хранения и транспортирования. Использование СПГ является одним из перспективных направлений развития газомоторного топлива для автомобильной и железнодорожной техники, речных и морских судов, а также при перевозке сжиженного газа танкерами и автоцистернами. Ужесточение требований к защите окружающей среды, связанные с сокращением вредных выбросов в атмосферу, снижение стоимости сжижения и возможности практически повсеместной доставки потребителям, создали условия для инновационного развития в этой области, и явились стимулом в появлении новых секторов в мировой экономике. Так, например, в США на СПГ переведено около 25% муниципального автотранспорта, автобусы, автопогрузчики и карьерные самосвалы. В последние годы сжиженный природный газ, как моторное топливо, стал применяться практически во всех странах Западной Европы и Японии.
Для работы со сжиженным природным газом необходимо иметь квалифицированных специалистов в этой области, научную и экспериментальную школу. СПГ обладает летучестью и при определенных условиях [концентрация 5-15% в воздухе] может взрываться, что должно учитываться при совместном проектировании насосов и их уплотнений. Перекачивание низкотемпературных и криогенных жидкостей требует применения специальных уникальных инженерных технологий для насосов и уплотнений валов - с целью обеспечения необходимой функциональности, герметичности, долговечности, безопасной и надежной эксплуатации.
криогенный насос CryoStar CS Фото. Криогенный насос CryoStar CS [ источник: https://cryostar.com ]
Для достижения вышеназванных качеств в стационарных насосах для перекачивания СПГ, как правило, применяются только специальные двойные торцевые уплотнения с газовой смазкой, к которым подаётся барьерный инертный газ, например, азот с определёнными параметрами. Стабильная работа уплотнительной системы и снижение вероятности образования инея на деталях прецизионных уплотнительных изделий достигается, в том числе, за счёт того, что азот проходит стадии необходимой предварительной фильтрации и осушения.
При перекачивании сжиженных атмосферных газов надежность и долговечность уплотнения вала насоса имеет первоочередное значение, утечка таких газов в атмосферу не насосит существенного вреда окружающей среде.
Контактные жидкостные и бесконтактные газовые одинарные торцевые уплотнения с металлическим сильфоном - наиболее часто применяемые технические решения в криогенных насосах для мобильных применений и заправочных станций. Компонентные одинарные торцевые уплотнения с компактными габаритными размерами используются чаще, чем уплотнения картриджного типа. В то же время последние практически не требуют настройки при их установке в насосное оборудование, что важно при обслуживании и проведении ремонтных работ на месте эксплуатации.
Разница температурных расширений между используемыми материалами создает потенциальные проблемы при конструировании уплотнений валов для работы в криогенных жидкостях.
Специальные торцевые уплотнения со сварным металлическим сильфоном можно встретить в электронасосных агрегатах таких известных западных компаний-лидеров, как CryoStar, ACD Cryogenic, Vanzetti Engineering и других, которые уже многие годы проводят исследования и разработки, внедряют инновации в области проектирования и производства криогенного оборудования.
Полный контроль размеров деталей и узлов проводится до окончательной сборки оборудования, после чего каждый насос проходит серию испытаний с использованием СПГ или жидкого азота до отгрузки заказчику.
сборочный эскиз криогенного насоса CryoStar GBS в разрезе Фигура 1.
Центробежный насос CryoStar GBS [см. Фигура 1] может применяться в качестве стационарного для перекачивания сжиженного газа, либо в мобильном исполнении с автоцистерной; рабочее давление до 28 бар при скоростях вращения вала до 4000-7000 оборотов в минуту. Насос содержит рабочее колесо закрытого типа, может комплектоваться композитным одинарным жидкостным торцевым уплотнением [срок службы до 4-х раз дольше обычных графитовых материалов], либо газовым уплотнением с повышенной надежностью и долговечностью.
сборочный эскиз криогенного насоса ACD Cryogenic AC30 в разрезе Фигура 2.
Центробежный насос ACD Cryogenic AC30 [см. Фигура 2] предназначен для перекачивания сжиженного метана из автомобильных цистерн или из резервуаров [либо в резервуары] для хранения СПГ; перепад давления до 5 бар при скоростях вращения вала до 2950-5900 мин-1. В качестве основного уплотнения вала также применяется одинарное торцевое уплотнение с металлическим сильфоном и подвижном в осевом направлении кольцом пары трения из композитного материала. Наличие утечки газа проверяется датчиком температуры, имеется возможность продувки уплотнения азотом.

Критические режимы работы контактных торцевых уплотнений в сжиженных газах являются причиной отсутствия предоставления каких-либо гарантийных обязательств.
Отрицательным экономическим показателем всех зарубежных торцевых уплотнений со сварным металлическим сильфоном [несмотря на малые габаритные размеры], является высокая стоимость.
Так, например, ремонтный комплект уплотнения для насоса AC30 предлагается по цене от 2000 EUR (около 160 000 рублей) со сроком поставки 7-8 месяцев !

Комбинированное уплотнение криогенного насоса

Снижение стоимости национальной валюты в условиях действия западных экономических санкций, увеличение сроков поставки насосного оборудования и запчастей до 6-12 месяцев, а также принятые Правительством РФ и уполномоченными им федеральными органами исполнительной власти нормативные акты, устанавливающие ограничения допуска или запрета на допуск иностранной продукции - ставят перед отечественными проектировщиками и изготовителями криогенного оборудования задачи импортозамещения.
Проблема импортозамещения насосов СПГ в значительной мере зависит от нахождения рациональных технических решений прецизионных уплотнений, связана с выполнением комплекса проектно-расчётных работ и исследований, обоснованным выбором материалов, а также применением новых технологий для производства различных исполнений уплотнительных устройств с целью их обязательной доводки на специальном стенде - всё это потребует привлечения специалистов в соответствующих областях, значительных временных затрат и существенных финансовых расходов.

Достижение положительных результатов в этой области возможно только при совместном проектировании насоса и уплотнительного комплекса с учётом реальных условий эксплуатации.

С целью инновационного импортозамещения нашей группой инженеров была проведена предварительная проектно-расчётная работа по результатом которой предлагается одно из возможных технических решений комбинированного уплотнения [см. Фигура 3], которое содержит специальное торцевое уплотнение ТИП 9 [без применения сварного металлического сильфона] и вспомогательное уплотнение.
сборочный эскиз комбинированного уплотнения для криогенного насоса и 3D модель торцевого уплотнения Фигура 3. Техническое решение комбинированного уплотнения для криогенного насоса и 3D-модель его торцевого уплотнения.

Выводы

1) Проведена предварительная проектно-расчётная работа, по результатам которой предлагается одно из возможных технических решений комбинированного уплотнения для выносного мобильного центробежного насоса, предназначенного для перекачивания сжиженного природного газа или для сжиженного атмосферного газа. Создана трёхмерная модель прототипа специального торцевого уплотнения без применения металлического сильфона.
2) Реальное импортозамещение и дальнейшее развитие в этом направлении потребует выполнения комплекса проектно-расчётных, опытно-конструкторских и экспериментальных работ, в том числе, связанных с выбором материалов, применением новых технологий для производства нескольких исполнений прецизионных уплотнений с их испытаниями на специальном стенде и последующей доводкой конструкции.