Карта сайта
Огнезащита объектов
Герметизация оборудования
Общее
Научные публикации XXI века

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

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

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