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, ротационное соединение 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.

---

---

Конструктивное исполнение

Торцевое уплотнение конструктивно содержит два кольца пары трения, выполненные в виде поверхностей вращения, расположенных соосно и 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. 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. Отдельно следует выделить торцевые уплотнения сухого трения для мешалок, для которых рабочей и одновременно охлаждающей средой является окружающий воздух. Эта особенность ограничивает диапазон применения таких уплотнений невысокими значениями перепадов давлений и скоростей скольжения, а также характеризуется непродолжительным периодом работы оборудования.

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.

---

---

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 средний зазор между этими деталями обычно не превышает 0.001 мм [не постоянная величина], однако для некоторых специальных конструкций [и режимов эксплуатации] этот параметр может достигать 0.0025...0.0055 мм. Несмотря на повышенную точность изготовления все рабочие поверхности колец пары трения имеют дефекты [связанные с особенностями материалов и технологией изготовления], в частности, такие как волнистая рабочая поверхность. Амплитуда волн может варьироваться от 0.1 до 1.5 микрометров, что соизмеримо с рабочим зазором в паре трения и существенно влияет на характеристики уплотнения. 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 (радиальное биение) 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 обычно не более 0.15 мм.

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.

---

---

Ремонтопригодные уплотнения

С целью обеспечения одного из основных правил надежности, технические решения некоторых торцевых уплотнений могут проектироваться ремонтопригодными и допускают простую замену быстроизнашивающих деталей или отдельных элементов без разработки и переналадки всего изделия. Ремонт таких уплотнений на месте эксплуатации заключается в замене колец пары трения и вторичных уплотнений на новые из ремонтного комплекта, стальные детали можно использовать многократно. Это позволяет экономить на каждом ремонте - замене до 40% от цены уплотнения в сборе, а кроме того проверять, как ведут себя в эксплуатации различные материалы колец пары трения. Практические задачи инновационного импортозамещения уплотнительных узлов успешно решаются с использованием ремонтопригодных торцевых уплотнений для зарубежных насосов: Hilge, Grundfos, KSB, Salmson, Wilo и многих других.

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. 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.

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 содержит информацию о стандартных по установочным размерам уплотнений для диаметров валов от 10 мм до 100 включительно.
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 неизбежном ухудшении технического состояния оборудования - возникновении недопустимых вибраций и биений вала, а также 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. 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. 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. Снижение вероятности отказа и определение наиболее вероятных причин выхода из строя уплотнения основывается на диагностике и мониторинге рабочих параметров. Монтаж и эксплуатация оборудования с установленным в него уплотнением должны выполняться только обученным и аттестованным персоналом с соблюдением всех положений соответствующих инструкций. Специальные требования к хранению торцовых уплотнений в целом соответствуют срокам и условиям хранения вторичных уплотнительных элементов - резиновых колец и манжет, эти параметры указываются в техническом задании на этапе конструирования специальной опытной продукции, а также в паспорте и(или) инструкции по её установке и эксплуатации.

---

---

Герметичность. Допустимая утечка

Герметичность - способность торцевого уплотнения не пропускать через пару трения и вторичные уплотнительные элементы рабочую среду. В связи с тем, что абсолютно геметичных изделий не существует, герметичность численно характеризуется величиной допустимой утечки. Минимальная граница диапазона соответствует подтеканию практически без видимого каплеобразования, максимальная граница диапазона соответствует капельным утечкам. В зарубежных источниках литературы для малых диаметров валов считают допустимой утечку 0.17 см³/мин. Для этой величины может применяться термин "нулевая утечка", что вводит в заблуждение - утечка рабочей жидкости существует, хотя капли могут и не образовываться.

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. 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

В ряде случаев находят применение специальные комбинированные уплотнения, содержащие как основное торцевое, так и вспомогательное - радиальное или щелевое уплотнение. В качестве вспомогательного радиального уплотнения вала 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.

Специальный уплотнительный комплекс

При предъявлении более жестких требований к герметичности, надежности и продолжительному сроку службы для оборудования, связанного перекачиванием или перемешиванием сыпучих, особо вязких рабочих сред, склонных к полимеризации, кристаллизации или склеиванию [сахарные сиропы, мальтодекстрин, шоколадная масса, шоколадная и ореховая паста, патоки, сгущенное молоко, пенобетонные и бетонные смеси, гудроны, клея, лаки и т.п.] применяются специальные уплотнительные комплексы, содержащие несколько различных уплотнений - контактные торцевые или радиальные уплотнения, и динамическое щелевое уплотнение.

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 [экспертизу] и выяснить возможные причины, после чего применить, более эффективное техническое решение, либо обеспечить необходимые условия для надежной работы уплотнительного узла.

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.

В начало страницы