Карта сайта
Огнезащита объектов
Герметизация оборудования
Общее
Научные публикации XXI века

119234, Москва, МГУ им М.В. Ломоносова, Ленинские горы ул., д. 1, стр. 11
Схема проезда


ГК "УНИХИМТЕК"
Московская обл., г. Подольск, мкр. Климовск, ул. Заводская, д. 2 схема проезда
-На автомобиле
-На общественом транспорте

+7 (495) 580-38-94

Публикации

Комплекты из мягкой сальниковой набивки для уплотнения центробежных насосов

В.В. Авдеев, Е.Т. Ильин, Г.А. Уланов

Бурное развитие химической и нефтехимической промышленности во всем мире требует постоянного совершенствования существующих и создания новых систем, препятствующих попаданию вредных веществ в окружающую среду. В химическом и нефтехимическом технологическом оборудовании весьма ответственными узлами, от которых зависят экологическая безопасность окружающей среды, работоспособность и долговечность оборудования, являются уплотнения арматуры и агрегатов. В первую очередь, это касается уплотнений подвижных соединений (штоки арматуры, поршневые насосы, вращающиеся валы центробежных насосов и компрессоров и т.п.).

В настоящее время все более широкое распространение для центробежных насосов химической и нефтехимической промышленности получают торцовые уплотнения. Они обеспечивают герметичность подвижного соединения в широком диапазоне температур и давлений, при высоких скоростях вращения и при воздействии многих агрессивных сред. Однако такие уплотнения имеют очень высокую стоимость изготовления и эксплуатации, которая на порядок превосходит стоимость уплотнений из мягкой набивки. Поэтому насосы с такими уплотнениями применяются в основном для сред с достаточно высоким давлением, когда использование уплотнений с мягкими набивками ограничено. В то же время на промышленных предприятиях химической и нефтехимической промышленности значительная часть насосов работает при давлениях рабочей среды ниже 2 МПа и температурах ниже 250°С. В этом случае чаще всего применяют центробежные насосы с сальниковыми уплотнениями с мягкими набивками, которые отличает простота конструкции и эксплуатации, а также сравнительно небольшая стоимость.

Для надежной замены дорогостоящих торцовых уплотнений необходимо, чтобы уплотнения с мягкими набивками обеспечивали работу без протечек или с минимальными протечками при названных параметрах в течение длительного времени (несколько тысяч часов непрерывной работы).

Надежная герметизация вращающихся валов центробежных насосов возможна при следующих требованиях к уплотнительным узлам:

  • работоспособность при высокой (до 20 м/с) скорости скольжения;
  • низкий коэффициент трения;
  • способность не вызывать изнашивания и истирания уплотняемых деталей;
  • использование уплотняющих материалов с высокой износостойкостью;
  • способность не стареть в процессе эксплуатации и не терять своих свойств под воздействием различных сред, в том числе агрессивных;
  • высокая эластичность и пластичность.

Наиболее полно таким требованиям отвечают уплотнительные материалы на основе пористого (экспандированного) политетрафторэтилена (ПТФЭ). До настоящего времени такие материалы производились только за рубежом. Сейчас аналогичные уплотнительные материалы стали производиться в России НПО "УНИХИМТЕК". В таблице приведены основные характеристики этих материалов.


Основные физико-механические характеристики уплотнительных набивок на основе экспандированного политетрафторэтилена

Тип уплотнительного материала Теплопро-
водность, Вт/(м·°К)
Коэффи-
циент трения
Допустимая скорость скольжения, м/с Темпера-
тура рабочей среды, °C
Давление рабочей среды, МПа
Плетеные уплотнительные набивки, изготовленные в виде шнура в основном квадратного сечения из волокон экспандированного фторопласта (ПТФЭ) 0,23...0,26 0,02...0,03 10 -200...+260 1,0
Плетеные уплотнительные набивки, изготовленные в виде шнура в основном квадратного сечения из волокон экспандированного графитонаполненного фторопласта (ПТФЭ) 0,7...1,5 0,02...0,03 20 -200...+260 3,0

Из таблицы видно, что сальниковые набивки отвечают практически всем перечисленным требованиям. Они имеют низкий коэффициент трения, работают при достаточно высокой скорости скольжения в широком диапазоне температур и устойчивы к большинству агрессивных сред (кроме свободного фтора). Однако даже самые совершенные из этих набивок не в состоянии решить все задачи.

Так, герметичность сальникового узла определяется, в первую очередь, гидравлическим сопротивлением набивки, оказываемым ею уплотняемой рабочей среде и степенью прижатия ее к уплотняемым деталям. В условиях эксплуатации на сальниковую набивку действует, с одной стороны, усилие затяжки сальника, а с другой - давление рабочей среды. В результате происходит пластическая деформация материала и его уплотнение, обеспечивающее снижение пористости и проницаемости. При этом, чем выше плотность набивки и чем выше степень прижатия набивки к уплотняемым элементам, тем надежней герметизация. В этих условиях основным фактором, обеспечивающим уплотнение материала и полную герметизацию сальникового узла, является сила затяжки сальника.

В свою очередь усиление затяжки приводит к повышению плотности набивки и росту удельного контактного давления. В результате этого, с одной стороны, сокращается протечка среды, а с другой - увеличивается сила трения между валом и набивкой, приводящая к изнашиванию как самого вала, так и уплотняющего материала. Кроме того, из-за роста сил трения происходит значительный разогрев сальникового узла. Особенно этот процесс усугубляется, когда уплотняющий материал имеет низкую теплопроводность из-за плохого отвода выделяющейся теплоты.

Для снижения разогрева сальникового узла обычно ослабляют затяжку и допускают протечку небольшого количества рабочей среды через уплотнение. В этом случае рабочая среда выступает в качестве смазки и уменьшает тем самым силу трения и тепловыделение, а также отводит часть выделившейся теплоты. Однако в химической промышленности такие протечки либо вообще исключаются, либо строго регламентированы предельно допустимыми концентрациями (ПДК) вредных веществ в окружающей среде.

Для повышения теплопроводности материалов на основе ПТФЭ производят их графитизацию, т.е. насыщение основного материала графитом, в результате чего теплопроводность материала увеличивается в несколько раз (см. таблицу). Однако, как показали исследования, при работе без протечки рабочей среды даже графитонаполненные ПТФЭ не всегда могут обеспечить надежную работу сальника.

Для решения проблемы теплоотвода в НПО "УНИХИМТЕК" проводилось испытание нескольких типов уплотнений сальниковых узлов центробежных насосов. В основу были заложены требования обеспечить перепад давления рабочей среды на уплотняющих элементах и эффективный отвод теплоты от вала в зоне расположения сальника. Для обеспечения отвода теплоты от вала были использованы низкоплотные кольца из терморасширенного графита (ТРГ) слоеного типа (КГН-СО и КГН-СОП).

Слоеные кольца состоят из чередующихся горизонтальных слоев графитовой фольги, вырубленных из листа (перпендикулярно оси кольца). Кольца КГН-СО изготавливают, укладывая послойно склеивая слои графитовой фольга между собой. Кольцо КГН-СОП изготавливают из графитовой фольги - поочередно укладывая каждый слой с последующей холодной подпрессовкой. Эти кольца обладают высокой теплопроводностью в радиальном направлении (-120 Вт/(м·К) при комнатной температуре) а с ростом температуры выше 200°С их теплопроводность увеличивается до 600Вт/(м·К). Поскольку графит обладает анизотропными свойствами, его теплопроводность в осевом направлении оказывается незначительной - меньше 3 Вт/(м·К), что обеспечивает отвод теплоты в основном в радиальном направлении.

Кроме того, эти кольца имеют низкий коэффициент бокового давления (0,1...0,15), поэтому их используют не только для отвода теплоты, но и в качестве дросселирующих элементов. Благодаря малому значению коэффициента бокового давления между валом и уплотняющим кольцом при обжатии обеспечивается лишь небольшое контактное давление и сохраняется очень малая щель, где происходит дросселирование.

Уплотняющие кольца из терморасширенного графита достаточно стойки по отношению ко многим средам (допустимый водородный показатель сред ph = 1...14), имеют низкий коэффициент трения (0,1...0,12), но довольно хрупки. Поэтому сальник комплектуют из последовательно чередующихся колец сальниковой набивки из ПТФЭ или графитонаполненного ПТФЭ и слоеных колец из ТРГ, как показано на рисунке.

Теплоотводящие кольца обеспечивают эффективный отвод теплоты за счет высокой теплопроводности в радиальном направлении, а кольца из ПТФЭ предохраняют их от разрушения. Таким образом, удалось обеспечить надежную работу сальникового узла без протечек рабочей среды при умеренных скоростях (до 5 м/с) и с минимальными протечками (1...5 капель в мин) при более высоких скоростях.


Схема сальникового уплотнения вала насоса из уплотняющих элементов ГРАФЛЕКС

Миниминизация протечек позволяет значительно повысить эффективность использования таких уплотнений для химической и нефтехимической промышленности. При этом основной экономический эффект достигается не столько увеличением срока службы уплотнения и уменьшением износа защитной втулки, сколько за счет сокращения протечек вредных веществ через уплотнения. Это позволяет уменьшить частоту обмена воздуха в цехах, а значит, сократить затраты электроэнергии на вентиляцию и теплоту на подогрев воздуха при низких наружных температурах. Эти затраты в десятки раз перекрывают стоимость устанавливаемых уплотнений.

Таким образом, применение уплотнительных комплектов из чередующихся уплотнительных элементов на основе ТРГ и ПТФЭ позволяет организовать отвод теплоты из зоны контакта уплотнения и вала в радиальном направлении и обеспечить работу сальниковых узлов практически без протечек. Благодаря высокой герметичности комплектов сальниковых уплотнений на основе ПТФЭ и ТРГ сокращаются выбросы в окружающую среду, уменьшаются затраты на вентиляцию в химической и нефтехимической промышленности.

Применение уплотнительных материалов нового поколения на основе ТРГ и ПТФЭ дает возможность расширить область применения насосов с мягкой набивкой при сохранении высокой степени герметизации подвижных соединений.

Copyright 2006 Унихимтек
Все права защищены
Контактная информация
Политика конфиденциальности

Создание сайта
H3 Creative Group