Карта сайта
Огнезащита объектов
Герметизация оборудования
Общее
Научные публикации XXI века


Схема проезда

+7 (495) 939-35-92
+7 (495) 939-33-16

Публикации

Обеспечение условий надежной и долговечной эксплуатации сальниковых уплотнений

Е. Т. Ильин, заместитель генерального директора по технической политике,
Г.А. Уланов, генеральный конструктор (НПО УНИХИМТЕК)

Проблема обеспечения надежности и безопасности работы оборудования при воздействии высокой температуры и давления является очень актуальной. В значительной степени общая надежность и безопасность эксплуатации основного оборудования определяется надежностью запорной, предохранительной и регулирующей арматуры. Как показывает анализ [1,2], около половины всех отказов арматуры в той или иной степени связаны с неудовлетворительной работой системы уплотнений.

В настоящее время во всем мире на электростанциях, предприятиях нефтепереработки, нефтехимии, химии и других отраслей широко применяются высокоэффективные и надежные уплотнения на основе терморасширенного графита (ТРГ), заменившие традиционные асбестосодержащие набивки.

Использование нового уплотнительного материала требует и принципиально новых подходов к установке уплотнений в сальниковую камеру.

Для обеспечения герметизации сальникового узла, необходимо предотвратить протечки рабочей среды, находящейся под давлением:

  • по поверхности штока и внутренней части набивки;
  • по стенке сальниковой камеры и наружной части набивки;
  • через поры самой сальниковой набивки, если она уплотнена недостаточно.

Исходя из этих условий набивку необходимо сжать в осевом направлении так, чтобы возникающее под действием осевого усилия сжатия радиальное давление было достаточным для обеспечения герметичности на поверхности контакта шток-уплотнительный материал, уплотнительный материал-стенка сальниковой камеры. Сам уплотнительный материал должен быть спрессован осевым усилием до такой степени, чтобы исключить протечки рабочей среды через него. Вместе с тем чрезмерное осевое усилие (и как следствие, увеличение радиального давления) может привести к росту потерь на трение, излишнему износу штока и необходимости неоправданного увеличения мощности привода.

Осевые усилия в сальниковой камере при сжатии сальникового уплотнения распределяются, как показано на рис. 1.


Рис.1 Распределение осевых нагрузок при сжатии сальника

Для предотвращения проникновения рабочей среды в сальниковое уплотнение необходимо, чтобы осевое усилие сжатия обеспечивало возникновение радиального давления, превосходящего давление рабочей среды на всей длине сальниковой камеры.

При определении необходимого радиального давления для любого элементарного кольца сальника необходимо рассмотреть взаимодействие сил, действующих в сальнике. В соответствии с рекомендациями работы [3] выделим в набивке элементарное кольцо шириной dх, находящееся на расстоянии х от грундбуксы. При сжатии сальника на преодоление сил трения, действующих на это элементарное кольцо, потребуется дополнительное усилие dσx. Сила трения ΔQтр пропорциональна радиальному давлению элементарного кольца набивки σy, площади трения и коэффициенту трения μ:
(1)
где Dн, Dв - диаметр соответственно сальниковой камеры и штока.

Знак "минус" в уравнении (1) означает, что сила трения направлена в противоположную сторону от приложенного осевого усилия сжатия сальника. Дополнительное осевое усилие на преодоление сил трения равно площади торцовой поверхности сальника, умноженной на дополнительное усилие dσx:

При равновесии силы трения и дополнительной осевой силы имеем

откуда

Поскольку σy = σx (где k — коэффициент бокового давления, учитывающий долю преобразования удельного осевого давления в радиальное, является характеристикой материала), а разность (Dн - Dв) равна удвоенному значению ширины поля набивки S, то после преобразований получим

Полагаем, что k, S, μ — постоянные, тогда после интегрирования запишем
(2)
где σв = Ро/F — удельное давление на набивку со стороны грундбуксы; Pо — усилие на грундбуксу; F— площадь сальниковой набивки.

Из уравнения (2), характеризующего распределение радиального давления по длине уплотнения, следует, что наибольшую нагрузку несут первые кольца набивки.

Уравнение (2) также показывает, что по мере удаления от грундбуксы осевое усилие сжатия уменьшается (о чем свидетельствуют и результаты испытаний). Радиальное давление набивки на шток и стенки камеры в этом случае изменяется пропорционально изменению осевого усилия сжатия и коэффициента бокового давления: σy = kσx.

Если набивка полностью заполняет камеру и имеет высокую пластичность (т.е. ее можно рассматривать как жидкость), то в этом случае давление, оказываемое на сальниковую набивку грундбуксой, передается во все стороны с одинаковой силой, т.е. σy = σx и соответственно k=1.


Рис. 2. Запорно-регулирующая арматура с сальниковыми
уплотнениями из ТРГ ГРАФЛЕКС

Для герметизации сальника и исключения протечек необходимо, чтобы радиальное давление на шток и стенки сальниковой камеры в точке соприкосновения рабочей среды и сальниковой набивки было не меньше рабочего давления среды pp:
(3)
где βр — коэффициент запаса.

Преобразуя выражение (3), можно найти минимальное осевое усилие сжатия сальникового кольца в зависимости от давления рабочей среды, которое может обеспечить герметичность сальника:

Распределение осевого усилия в сальниковой камере определяется из выражения (2), после преобразования которого можно записать следующее уравнение:

где z = 2xkμ/S.

Таким образом, требуемое усилие обжатия зависит от числа колец в сальнике и параметров рабочей среды.

Результаты исследований показали, что для обеспечения необходимых норм герметичности сальника следует устанавливать (в зависимости от параметров рабочей среды):

  • при pp ≥ 13 МПа — 6 колец;
  • при pp > 6,5 МПа — 5 колец;
  • при pp ≤ 6,3 МПа — 4 кольца.

На основании расчетов, а также данных, полученных в процессе экспериментальных исследований, были определены минимальные значения осевого усилия сжатия, прилагаемого к грундбуксе для обеспечения герметизации сальника, в зависимости от давления рабочей среды, комплектации сальника и числа рабочих колец.

Установлено, что для герметизации сальника при его контакте с рабочей средой (пар или вода), необходимо прилагать осевое усилие сжатия (затяжки) сальника не менее 2pр при наличии шести и пяти уплотняющих колец в комплекте (для колец из ТРГ ГРАФЛЕКС и для плетеной набивки ГРАФЛЕКС). Для четырех колец это усилие составляет не менее 1,8pp.

Для обеспечения более равномерного распределения бокового давления по высоте сальниковой камеры необходимо, чтобы кольцо находилось в зоне пластической деформации при приложении усилия, равного усилию обжатия. Поэтому плотность колец, устанавливаемых в сальниковую камеру (рис. 2), в зависимости от рабочего давления следует выбирать в соответствии с кривой пластической деформации.

Состав комплекта ГРАФЛЕКС

Приложенное усилие обжатия сальника Усилие обжатия после 10 ходов штока Изменение усилия обжатия, %
осевое, кН удельное,МПа осевое, кН удельное, МПа
Четыре кольца ГФ-Г 52x36x8 и два замыкающих кольца НГФ-С52х36х5,4 35 32,579 27 24,434 22,85
Семьуплотнителышх колец из предварительно спрессованной плетеной набивки НГФ-С52х36х5,8 и по три и замыкающих кольца ГФ-С52х36х2 с каждой стороны 36 32,579 27 24,434 25
Четыре уплотнительных кольца ГФ-Г 52x36x8 и два замыкающих кольца ГФ-С52х36х8 38 34,389 30 27,149 21,05
Семь уплотнительных колец НГФ-С52х36х5,8 и по два замыкающих кольца КГФ-Г 52x36x2 с каждой стороны 36 32,579 27 24,434 25
Пять уплотнительных колец ГФ-Г 52x36x8 и два замыкающих кольца КГФ-С52хЗ6х8 32,54 29,81 19,76 17,882 40
Четыре уплотнительных кольца ГФ-Г 52x36x8 и два замыкающих кольца КГФ-С52х36х8 41 37,1 27 24,434 34,15
Шесть уплотнительных колец КГФ-Г-Т 52x36x8* 50 45,243 33 29,86 34,4
Кольца КГФ-Г-Т покрыты фторопластовой суспензией.

Оптимальная плотность уплотнительных колец из ТРГ ГРАФЛЕКС для арматуры, работающей при указанном выше давлении, соответствует следующему диапазону:

  • при pp ≤ 6,3 МПа ρ = 1,1÷1,3 г/см³;
  • при pp ≤ 10 МПа ρ = 1,3÷1,4 г/см³;
  • при 10 МПа < pp ≤ 30 МПа ρ = 1,4÷1,6 г/см³.

Надежность герметизации сальникового узла в значительной степени определяется правильностью выполнения операций по затяжке сальника.

В процессе затяжки сальника, (при «сухом» трении, когда подача рабочей среды отсутствует), как показали результаты исследований, коэффициент трения, как правило, в 2-4 раза выше, чем при работе сальника с подачей рабочей среды. В результате при предварительной затяжке сальника нижние уплотняющие элементы оказываются недостаточно обжатыми.

Стендовые испытания уплотнений ГРАФЛЕКС и опытная эксплуатация показали, что при выполнении первых ходов штока после предварительной затяжки сальника усилие сжатия значительно снижается, но с каждым следующим ходом штока в меньшей степени.

После 5-10 ходов штока наступает стабилизация, дальнейшего уменьшения осевого усилия затяжки не происходит. Это связано с тем, что при возвратно-поступательном движении штока нарушаются фрикционные связи, возникающие на поверхностях контакта набивки с элементами сальникового узла. При этом имеющиеся пустоты заполняются материалом набивки, которая находится в напряженном состоянии. В результате напряжение в набивке ослабевает, уменьшаются сила трения, осевая и боковая силы, что может привести к разгерметизации сальника.

В таблице приведены результаты измерения усилия обжатия комплектов колец ГРАФЛЕКС после выполнения 10 холостых ходов. Анализ этих результатов показывает: для комплектов, состоящих из шести колец, обжатых в один прием, после выполнения 10 ходов штока происходит ослабление осевого усилия на 20-40% в зависимости от типа комплектов и приложенного усилия.

Результаты этих исследований, а также опыт эксплуатации показывают, что после предварительного обжатия до заданного усилия необходимо выполнить 5-10 ходов штока вхолостую, без подачи рабочей среды, после чего произойдет ослабление усилия затяжки, а затем произвести дополнительное подтягивание до первоначально заданного усилия. В противном случае в процессе эксплуатации возможно ослабление осевого усилия затяжки ниже рабочего давления, что приведет к пропаривай ию сальника и его выбиванию.

Еще более оптимальным решением является затяжка сальника сначала с половинным усилием и выполнением нескольких ходов штока, а затем с заданным осевым усилием и последующим выполнением 5-10 ходов штока, после чего производится дополнительное подтягивание сальника до заданного уровня.

Список литературы

  1. Кижнер А.Х., Корзун И.И. Ремонт пароводяной арматуры энергетических блоков. М.: Энергия, 1976, 88 с.
  2. Имбрицкий М.И. Ремонт арматуры мошных энергетических блоков. М.: Энергия, 1978, 232 с.
  3. Ворохов А.М., Гашнин А.С., Додонов Н.Т. Волокнистые и комбинированные сальниковые уплотнения. М.: Машиностроение, 1966. 312 с.
Copyright 2006 Унихимтек
Все права защищены
Контактная информация
Политика конфиденциальности

Создание сайта
H3 Creative Group