Карта сайта
Огнезащита объектов
Герметизация оборудования
Общее
Научные публикации XXI века


Схема проезда

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

Публикации

Влияние применения уплотнений ГРАФЛЕКС на конструкции сальниковых узлов центробежных и поршневых насосов

INFLUENCE OF GRAFLEX SEALANTS ON THE ROTARY AND PLUNGER PUMP STUFFING BOX CONSTRUCTIONS

Авдеев В.В., д.т.н., профессор, ген. директор
Ильин Е.Т., к.т.н., доцент, зам. ген. директора по технической политике
Уланов Г.А., главный конструктор

 

Abstract. The present work observes performance of a pump stuffing box sealant under the environmental and compression forces treatment. Comparison was made berween the interaction of custom sealants and "Graflex" sealants with sealed surfaces. Recommendations were given for stuffing box modification under "Graflex" sealants usage. "Graflex" utilization efficiency was estimated in comparison to the custom sealants.

Наиболее широкое распространение в узлах уплотнения валов центробежных насосов получили давно известные и простые по конструкции мягкие сальниковые набивки. Большинство выпускаемых мягких сальниковых набивок состоит из волокнистой сплетенной основы, пропитанной смазочным материалом с добавками антифрикционных веществ (графита, талька и др.).

Герметичность сальника определяется в первую очередь гидравлическим сопротивлением набивки, оказываемым ею уплотняемой рабочей среде и степенью прижатия ее к уплотняемым деталям [1,2,3]. В реальных условиях эксплуатации на сальниковую набивку действует, с одной стороны, усилие затяжки сальника, а с другой стороны - давление рабочей среды, в результате чего происходит пластическая деформация материала и его уплотнение, обеспечивающее снижение пористости и проницаемости.

Вместе с тем, в процессе эксплуатации происходит износ сальниковой набивки, сопровождающийся выносом материала за пределы сальниковой камеры. Герметичность сальникового уплотнения в процессе износа снижается и требует периодического восстановления. Износ материала набивки зависит от ряда факторов, главными из которых являются шероховатость поверхности подвижной уплотняемой детали, вид движения относительно набивки (возвратно-поступательный или вращательный), интенсивность движения, контактное давление набивки на вал, давление уплотняемой рабочей среды, агрегатное состояние и физико-химические свойства уплотняемой среды, прочность внутренних связей материала набивки.

Для восстановления заданной степени герметичности применяется подтяжка сальника. Трудность восстановления герметичности сальника, снизившейся в результате механического износа набивки, путем подтяжки сальника можно объяснить следующим образом. Тонкий слой набивки, прилегающий к перемещающейся уплотняемой детали, подвергается износу и разрушению. Вследствие истирания подвижной деталью пористость материала в этом тонком слое более высокая, чем в остальном объеме набивки. Снижение пористости этого слоя можно было бы осуществлять за счет осевого сжатия и заполнения пустот материалом из основного слоя. Заполнение таких пустот материалом набивки в значительной степени зависит от пластических свойств материала, характеризуемых коэффициентом бокового давления (Кб), который определяет долю осевого усилия приложенного к уплотняющему элементу, передаваемую в радиальном направлении (для большинства традиционно применяемых плетеных набивок типа АП, АС, АПР, АГИ Кб=0,35-0,45). В процессе эксплуатации, при периодических подтяжках сальника, материал набивки уплотняется, теряет пластичность и способность к деформации в осевом и радиальном направлениях. Поэтому приходится прилагать все большее осевое усилие, чтобы обеспечить герметизацию узла, пока не наступит момент, когда обжатие сальника уже не обеспечивает герметичности узла и требуется замена уплотнителя.

К сказанному выше следует добавить, что осевое усилие, приложенное к набивке, существенно уменьшается по глубине сальниковой камеры, в связи с трением набивки о стенки камеры и гильзу вала [1,2,3], а также вследствие внутреннего трения в самой набивке, возникающего при сжатии. В свою очередь сила трения набивки о сопрягаемые поверхности зависит от шероховатости гильзы и стенок сальниковой камеры, а значит и распределение усилий по глубине сальниковой камеры зависит от этих факторов. Так как каждое кольцо набивки вследствие сил трения ослабляет усилие затяжки сальника, то по мере увеличения глубины сальниковой камеры и количества устанавливаемых колец, усилие сжатия последних колец будет снижаться. Снижение усилия обжатия приводит к тому, что слои набивки, контактирующие с рабочей средой, оказываются недостаточно уплотненными, поэтому среда может проникать как через поры самой набивки, так и между штоком и набивкой, приводя к разгерметизации сальника.


Рис. 1. Качественная характеристика распределение радиального давления по глубине сальникового уплотнения.

Ро - осевое давление на сальниковую набивку со стороны нажимной втулки;
Рр - давление рабочей среды;
Рв - давление, оказываемое набивкой на вал.

Качественное изменение радиального усилия на вал по длине сальника, от суммарного действия рабочей среды и воздействия нажимной втулки представлено на рис. 1. Как видно из рисунка, наибольшую нагрузку несут первые кольца, которые в эксплуатации имеют износ составляющий 70% износа всего сальникового уплотнения, в тоже время последние кольца почти не изнашиваются и оказываются по существу лишними. Следует добавить, что крутизна представленной характеристики существенным образом зависит от характеристик материала (от величины коэффициента бокового давления), чем меньше Кб, тем круче будет данная кривая.

Наряду с коэффициентом бокового давления, существенное влияние на величину прижима уплотняемой набивки к гильзе вала оказывает конструкция сальниковой камеры.


Рис. 2. Конструкция сальниковой камеры с промежуточным фонарным кольцом для традиционных набивок.

1. вал насоса;
2. подсальниковое бронзовое кольцо;
3. стенка сальниковой камеры;
4. нажимная втулка;
5. фонарное кольцо.

Большинство существующих конструкций сальниковых камер центробежных насосов выполнено со скосами на торцевой стороне сальниковой камеры и на нажимной втулке, рис. 2. Под действием такого скоса крайние уплотняющие элементы испытывают дополнительное усилие (Ррад), прижимающее их к гильзе вала, рис.3. В результате чего увеличивается радиальное воздействие крайних (первого и последнего) уплотнительных элементов на защитную гильзу вала и их износ возрастает в еще большей степени, причем происходит не только износ уплотняющего материала, но и защитной втулки вала. Практика эксплуатации показала наличие характерных зон износа гильзы вала в районе расположении этих колец. В результате, уже через 0,5-1 год, в зависимости от условий эксплуатации, возникает необходимость ремонта или замены защитной гильзы.


Рис.3. Схема перераспределения передачи осевого усилия от нажимной втулки со скосом.

1.-стенка сальниковой камеры; 2.-нажимная втулка; З.-вал насоса;
Ро - осевое усилие, действующее на нажимную втулку;
Ра - осевое усилие, передаваемое нажимной втулкой на уплотнительное кольцо;
Ррад - радиальная составляющая осевого усилия.

 

Кроме этого, возникающие чрезмерные радиальные давления могут привести к увеличению трения, местному нагреву вала и даже вскипанию рабочей жидкости и, как следствие, аварийному разрушению сальниковой набивки.

В мировой практике все более широкое применение находят уплотнители на основе терморасширенного графита (ТРГ), экспандированного политетрафторэтилена (ПТФЭ) и их композиты, с применением армирующих высокопрочных волокон. Одним из основных производителей данной продукции в России уже более 12-и лет является НПО УНИХИМТЕК, выпускающее весь номенклатурный ряд уплотнителей под торговой маркой ГРАФЛЕКС.

Основные преимущества новых уплотнительных изделий перед паронитом, асбо-графитовыми кольцами, асбестовыми и хлопчатобумажными набивками определяются тем, что они применимы в широком

(практически неограниченном) диапазоне температур и давлений, имеют хорошие показатели сжимаемости (20-60%) под нагрузкой и восстанавливаемости (10-70%) после ее снятия, упругости (8-12%), не теряют этих свойств со временем - не релаксируют и "не стареют", химически инертны и применимы практически в любых средах, обеспечивают герметизацию уплотняемого узла в течение длительного времени без систематических подтяжек, имеют низкий коэффициент трения 0,02 - 0,12% и высокую теплопроводность.

Наличие перечисленных выше свойств позволяет применять эти материалы для уплотнения подвижных соединений при высоких скоростях скольжения (до V= 25м/с) в широком диапазоне температур и давлений.

В настоящее время для уплотнения насосов ЗАО "Унихимтек" производит уплотнительные элементы в виде колец (КГН-кольца низкоплотные из материала ГРАФЛЕКС) и плетеные набивки (НГФ-набивки плетеные из материала ГРАФЛЕКС). Причем уплотнительные сальниковые кольца изготовляются нескольких типов, витые (КГН-В) и слоеные, различного типа ( КГН-СО, КГН-СОП).

Витые кольца изготавливаются путем спиральной намотки графитовой ленты с последующим холодным прессованием в пресс-форме до определенной плотности. В результате такого прессования слои фольги деформируются в виде гофра в осевом направлении и прочно соединяются между собой, обеспечивая герметичность. Плотность прессования колец определяется параметрами и условиями последующей эксплуатации и находится обычно в пределах ρ=0,9-Н,35 г/см³. Эти кольца имеют высокий коэффициент бокового давления (Кб=0,7-0,85), поэтому используются для обеспечения герметизации при малых значениях осевого давления.

Слоеные кольца состоят из чередующихся, горизонтальных слоев графитовой фольги, вырубленных из листа (перпендикулярно оси кольца). Кольцо КГН-СО изготавливается послойной укладкой и склейкой слоев между собой. Кольцо КГН-СОП изготовляется из графитовой фольги с поочередной укладкой каждого слоя и последующей холодной подпрессовкой. Эти кольца обладают высокой теплопроводностью в радиальном направлении λ > 120 Вт/(м К) и низким коэффициентом бокового давления (Кб=0,1-0,15), поэтому используются для отвода теплоты и в качестве дросселирующих. Благодаря малому значению Кб, между валом и кольцом при обжатии сохраняется очень малая щель, где происходит дросселирование потока среды, что обеспечивает более благоприятные условия работы остальных колец.

Плетеные уплотнительные набивки изготавливаются в виде шнура, в основном, квадратного сечения, сквозного, многорядного, диагонального плетения. Нить для плетения получают путем скручивания ленты из графитовой фольги. Для придания прочности плетеной набивке на стадии изготовления фольги производят ее армирование нитями из различного материала (хлопчато-бумажной нитью, стекловолокном, металлической проволокой и другими упрочняющими материалами). Для расширения свойств уплотнительного материала применяются плетеные набивки в комбинации с другими материалами, в частности, с экспандированным фторопластом, высокопрочным волокном - "Кевлар" (СВМ). Для повышения уплотнительных свойств плетеных набивок, а также уменьшения их коэффициента трения и коррозионной активности, применяют пропитку специальными составами и смазками.

Коэффициент бокового давления для плетеной набивки НГФ (Кб=0,5-0,6), в то же время эта набивка имеет достаточно высокий коэффициент теплопроводности, сопоставимый с теплопроводностью металла корпуса насоса.

Разнообразие технологии изготовления уплотнительных изделий из материала ГРАФЛЕКС, позволяет набирать комплекты набивок с заданными потребительскими свойствами.


Рис. 4. Схема сальникового уплотнения вала действующих насосов с комплектацией из уплотняющих элементов ГРАФЛЕКС.

Конструкция узла сальникового уплотнения вала насоса ранее спроектированного заводами-изготовителями для традиционных уплотнительных материалов (набивки из асбестосодержащих, хлопчатобумажных и синтетических материалов с различными видами пропитки) приведена на рис.4а. Глубина сальниковой камеры, как правило, устанавливалась для большого количества колец (6-12 штук), что предопределяет создание большого осевого усилия при обжатии сальника, приводит к росту неравномерности давления на вал в радиальном направлении и быстрому износу крайних уплотняющих элементов. На торцевых поверхностях грундбуксы, подсальникового и промежуточного фонарного кольца выполнены скосы под углом α=15° к торцевой поверхности для улучшения деформации набивки от наружного диаметра к валу.

НПО УНИХИМТЕК, на основании испытаний и опыта эксплуатации таких сальниковых узлов рекомендует применение в качестве уплотнителя плетеную набивку типа НГФ, обеспечивающую длительную и надежную эксплуатацию при минимальных протечках, и увеличении срока службы уплотнения в 2-4 и более раз, в зависимости от условий эксплуатации. При этом конструкция сальникового узла не меняется. В ряде случаев, при наличии в среде абразивных частиц, целесообразно крайние кольца устанавливать из набивки с более прочными нитями, например, из кевлара (СВМ).

Если применение набивок НГФ не обеспечивает желаемых результатов по ресурсу работы, величине протечки рабочей среды или давление среды достаточно высокое Рраб > 2МПа, то это в первую очередь является следствием недостатков конструкции узла сальникового уплотнения вала, компенсировать которые можно путем применения специальных колец из ТРГ ГРАФЛЕКС. Схема комплектации таких узлов приведена на рис.46. Такая комплектация обеспечивает работу уплотнения практически без протечек (величина протечки составляет 1-5 капель в минуту).


Рис. 4б. Схема сальникового уплотнения вала действующих насосов с комплектацией из уплотняющих элементов ГРАФЛЕКС.

Теплоотводящие кольца обеспечивают эффективный отвод тепла как за счет высокой теплопроводности (в сравнении с набивками НГФ и кольцами КГН типа В), так и за счет высокой эффективности дросселирования рабочего давления и выравнивания радиального давления на вал по длине сальника, что приводит к равномерному и более медленному износу сальника.

Для дросселирования большого давления рабочей среды (2 ÷ 4 МПа), а также для рабочих сред со значительным количеством механических примесей, может быть установлено подряд несколько дросселирующих колец со стороны рабочей среды. На рис.4в приведена одна из возможных схем комплектации сальникового узла при наличии фонарного кольца.


Рис. 4в. Схема сальникового уплотнения вала действующих насосов с комплектацией из уплотняющих элементов ГРАФЛЕКС.

Для узла сальникового уплотнения вала насоса, конструкция которого будет разрабатываться для целевого применения комплектов уплотнений из ТРГ ГРАФЛЕКС, мы рекомендуем изменения, представленные на рис.5. Торцевые поверхности нажимной втулки и промежуточного фонарного кольца выполняются перпендикулярно оси вала, без скосов, что позволяет обеспечивать более равномерное распределение радиального давления на вал по длине сальника. Взамен металлических (стальных, бронзовых) подсалышковых колец, устанавливаемых для дросселирования среды с минимальными зазорами по валу δ= 0,2 ÷ 0,3 мм, возможна установка специального дросселирующею кольца из ТРГ "Грфлекс" типа КГН-С. За счет упругости материала, низкого коэффициента трения, высокой теплопроводности и износостойкости дросселирующие кольца долго сохраняют минимальные зазоры, что предопределяет чрезвычайно высокую эффективность дросселирования давления.


Рис.5. Схема конструкции сальникового узла для использования уплотнителей типа ГРАФЛЕКС.

Результаты проведенных исследований показали, что для обеспечения надежной герметизации с использованием уплотнительных материалов ГРАФЛЕКС при давлении рабочей среды до Рр ≤ 1 МПа требуется комплект, состоящий из 3-5 уплотняющих колец, а при давлении рабочей среды выше Рр < 1МПа, целесообразно устанавливать комплект, состоящий из 6 колец.

Кроме этого, благодаря так называемому эффекту "самолечения", заключающемуся в том, что при контакте с уплотнительными изделиями из ТРГ, уплотняемая поверхность покрывается тонким слоем графита, в результате чего происходит заполнение микронеровностей, поверхность становится более гладкой и дальнейший контакт набивки происходит с прографиченной поверхностью, в результате чего коэффициент трения снижается до k=0,02-0,05 (сухое трение ТРГ по стали k=0,l-0,12). Все это способствует уменьшению износа набивки, в результате чего обеспечивается надежная герметичность и долговечность работы уплотнения при меньшем числе уплотняющих элементов.

В свою очередь, сокращение числа уплотняющих элементов позволяет уменьшить габаритные размеры насосов, снизить металлоемкость изделия, сократить затраты на уплотняющие материалы.

Еще больший эффект достигается в процессе эксплуатации у потребителей. Ниже приводятся результаты оценки эффективности применения материалов ГРАФЛЕКС по сравнению с традиционными набивками [4].

Изменение затрат на материалы за год, в случае замены традиционных уплотнений на основе асбеста на ГРАФЛЕКС можно оценить по выражению:

Где: Сасб, Сгр - цена асбестового уплотнения и уплотнения ГРАФЛЕКС соответственно, руб/кг;
Gасб, Gгр - расход материала на сальниковое уплотнение из асбеста и ГРАФЛЕКС соответственно, кг;
ηасб, ηгр - срок службы уплотнений из асбеста и из материала ГРАФЛЕКС, соответственно, недель;
ηгод - число недель в году.

В качестве примера, рассмотрим изменение затрат на материалы для центробежного насоса, используемого для перекачки битума на Сызранском НПЗ с учетом реальных сроков службы уплотнений.

ΔS=(0.4·150/2.5-0.4·1350/26)·52=168 руб/год

Таким образом, несмотря на значительно более высокую цену уплотнений ГРАФЛЕКС (Сгр = 1350 руб/кг, а Сасб = 150 руб/кг), в итоге экономия затрат на материал за год составляет 168 рублей на один насос. Но этим эффективность нового поколения не исчерпывается.

Высокая теплопроводность ГРАФЛЕКС и низкий коэффициент трения позволяют обеспечить работу сальниковых узлов центробежных насосов без протечек перекачиваемой среды через уплотнения (в отдельных случаях предусматривается протечка в пределах 1-5 капель в минуту). Применение обычных набивок требует обеспечения протечки небольшого количества перекачиваемой среды (5-20 капель в минуту (реально еще больше, если среда не является ядовитой)) для предотвращения разогрева сальникового узла, что соответствует утечкам среды около 0,5-1,0 л/час (реально протечки могут достигать 3 л/ч). За год (7000-8000 часов) такие утечки составляют от 4 до 8 тонн продукта. Экономический эффект при этом можно оценить по выражению:

где Gпот - утечки перекачиваемой жидкости, т/год;
Спр - цена 1тоны перекачиваемой жидкости, руб/т.

С учетом цены нефти - 3 000 руб/т, эффект от сокращения потерь в этом случае составит от 1.2 000 руб/год до 24 000 руб/год, что практически в 100 раз превосходит затраты на материалы.

Снижение коэффициента трения при использовании уплотнений ГРАФЛЕКС более чем в три раза позволяет получить снижение затрат энергии на привод насоса. Эти затраты также в несколько раз перекрывают расходы на приобретение уплотнительного материала ГРАФЛЕКС. Для современных центробежных насосов механический КПД, который учитывает потери энергии от трения в уплотнениях, подшипниках и дискового трения ηм=0,92-0,99. Затраты энергии, идущей на преодоление сил механического трения в сальнике, для традиционных набивок составляют около αс=50% от суммарных механических потерь.

Для этого случая величину снижения потребляемой мощности рассмотрим на следующем примере: для насоса, с мощностью привода NЭ=100 кВт замена традиционного сальникового уплотнения на уплотнение из материала ГРАФЛЕКС позволяет на 2/3 сократить потери энергии в сальниковом узле. Если предположить, что исходный механический КПД насоса равен ηм=0,95, то в результате получим следующую величину экономии мощности:

ΔNЭ=2/3·αc·NЭ=0.667·0.5·0.05·100=1,6675кВт

Казалось бы, ничтожная величина. Однако, при продолжительности эксплуатации насоса τ=7000 часов в год, можно получить экономию электроэнергии:

Эг = 1,6675- 7000 = 11672,5кВт.

При цене электроэнергии 50 копеек, экономия составит Sэк.э=5836 рублей. Для сравнения комплект сальниковой набивки на такой насос в среднем стоит около 500 рублей.

Еще больший эффект получается от увеличения срока службы защитной гильзы вала. Опыт эксплуатации показал, что при применении традиционных набивок после одного года эксплуатации необходима либо проточка или, чаще всего, замена защитной втулки. Применение набивок из материала ГРАФЛЕКС позволяет сохранять работоспособность втулки в течение 3-4 лет эксплуатации. Таким образом, экономия от увеличения ресурса защитной гильзы в три раза составит:

Сз.в. - цена защитной втулки для данного насоса, руб.;
Sp.p. - стоимость ремонтных работ по замене защитной втулки, руб.

Суммарный экономический эффект составит:

Окупаемость уплотнительных материалов ГРАФЛЕКС, как показал опыт эксплуатации, не превышает двух-трех месяцев.

НПО УНИХИМТЕК на базе экспериментальных исследований и опытно-промышленной эксплуатации разработаны и внедрены комплекты уплотнений из материалов ГРАФЛЕКС для действующих насосов, обеспечивающих снижение протечек среды и увеличение срока службы. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации для внесения изменений в конструкцию сальниковой камеры насоса при использовании уплотнительных материалов ГРАФЛЕКС, обеспечивающих снижение протечек среды, уменьшение износа гильзы вала, расхода уплотняющего материала и снижения затрат на эксплуатацию.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Домашнее А.Д., Хмелъникер В.Л. Сальниковые уплотнения арматуры АЭС. - М.: Атомшдат, 1980, 112с.
  2. Кришнек Р. Уплотнительные системы на основе графита. Химическое и нефтегазовое машиностроение, № 8, 2000.
  3. Ворохов A.M., Гашнин А.С., Додо-нов Н.Т. Волокнистые и комбинированные сальниковые уплотнения. М.: Машиностроение, 1966, 312 с.
  4. Ильин Е.Т. Российские высокоэффективные уплотнения ГРАФЛЕКС - Материалы отраслевого совещания главных механиков нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий России и СНГ. г. Кириши, 2002, С. 2 59-266.
Copyright 2006 Унихимтек
Все права защищены
Контактная информация
Политика конфиденциальности

Создание сайта
H3 Creative Group