Торцевые (механические) уплотнения для насосов

В этой статье мы расскажем о самых популярных в современных насосах механических или торцевых уплотнениях. Слова "торцевое" и "механическое" применительно к уплотнениям насосов следует считать синонимами. Первый вариант больше употребим в отечественной литературе, второй в западной (mechanical seal). Вы узнаете, какие из них подойдут для воды, какие для кислот. Какие из них не боятся твердых частиц, а какие могут работать на "сухом ходу".

В понимании принципа работы механических уплотнений нам поможет Рисунок №1 (см. ниже). На нем красным цветом изображено неподвижное кольцо (5), которое жестко крепится к задней стенке корпуса насоса (7). Чтобы между неподвижным кольцом и корпусом насоса не было утечек, используется эластомерный элемент (6). Поскольку кольцо неподвижно, то этот эластомер не испытывает трения, а следовательно не изнашивается. Вал рабочего колеса проходит внутри неподвижного кольца, но не задевает его. Это важный момент, так как если бы кольцо и вал контактировали, то между ними не проходила бы жидкость, и само по себе кольцо было бы уплотнителем. Однако по такому принципу устроены сальниковые или манжетные уплотнения. Сама же идея торцевого уплотнения исключает трение между валом и уплотнением. Трение приводит к износу и вала и уплотнения и поэтому сальниковые и манжетные уплотнения недолговечны и требуют регулярного осмотра и замены.  

 

 

Поскольку вал не задевает неподвижное кольцо, то между ними свободно проходила бы жидкость, если бы не второе вращаемое кольцо (4), которое насажено на вал вплотную к неподвижному. Поверхность подвижного и неподвижного колец и называют парой трения. Эта пара трения единственный трущийся элемент конструкции. В зазоре между кольцами, который составляет меньше микрона, образуется тончайшая пленка жидкости. Она служит для смазки поверхностей пары трения и препятствует их перегреву.

 

Для упрощения конструкции подвижное кольцо следовало бы жестко закрепить на валу и место стыка вала с кольцом уплотнить эластомером. Тогда вся конструкция состояла бы только из пары колец, одно из которых прикреплено к задней стенке насоса, а другое к валу. К сожалению, это невозможно, ибо во время работы насоса происходит осевое смещение вала. Это приведет к тому, что кольца сближались бы друг с другом, а затем удалялись. В увеличенный зазор между ними будет попадать жидкость, даже если величина зазора составит всего 0,01 мм. Весь герметизирующий принцип пошел бы насмарку. Необходим элемент, который будет обеспечивать непрерывный и плотный контакт между двумя кольцами уплотнения. Этим элементом будет выступать пружина (10) или сильфон.

 

 

 

 

Теперь становится понятным, почему вращающееся кольцо не является жестко установленным на валу. Если его перемещение в радиальной плоскости вала не так важно, то в осевом направлении оно регулярно должно смещаться относительно вала, чтобы компенсировать благодаря пружине или сильфону осевые биения вала. Чтобы пружина (сильфон) могли действовать на вращающееся кольцо уплотнения, они должны быть прикреплены к какому-то элементу, жестко закрепленному на валу и вращающемуся вместе с валом. Таким элементом может выступать корпус уплотнения или сам сильфон. На рисунке №1 мы видим как к корпусу уплотнения, изображенному синим цветом, прикреплены пружины (10), которые прижимают подвижное кольцо (4) к неподвижному (5).

 

Чтобы заставить подвижное кольцо вращаться вместе с валом требуется передать ему крутящий момент вала. Эту функцию может выполнить центральная пружина или металлический сильфон. В нашем уплотнении использованы маленькие периферийные пружины (10), которые не могут передать крутящий момент вала. Такую роль выполняет штифт (3), который соединяет корпус уплотнения (7) и вращаемое кольцо (4). 

 

Остается добавить последний штрих. Чтобы жидкость не проникала между валом и подвижным кольцом, используют дополнительный уплотнительный элемент из эластомера (2). В такой конструкции из-за осевых биений вала в месте соединения эластомерного кольца с валом постоянно происходят микросмещения, которые со временем приводят к износу вала и уплотнительного элемента. Этого недостатка лишены уплотнения с сильфонами. Эластомерные сильфоны сами по себе выступают таким уплотняющим элементом, они плотно "обхватывают" и вал и подвижное кольцо. Устройство такого уплотнения можно увидеть ниже на рисунке №3. При использовании металлических сильфонов уплотнение из эластомера стоит между корпусом уплотнения и валом. Сильфон в отличие от пружины является герметичным, он с одной стороны плотно прилегает к корпусу уплотнения, с другой к подвижному кольцу. В уплотнениях с металлическим сильфоном также исчезает потребность в дополнительном уплотнении между валом и вращаемым кольцом, что позволяет избежать износа вала. 

Как уже было сказано выше, зазор между вращающимся и неподвижным кольцами уплотнения составляет меньше микрона. В этом зазоре образуется тонкая пленка перекачиваемой жидкости, которая уменьшает трение. При увеличении зазора вырастает толщина смазывающей пленки, что приводит к уменьшению трения и соответственно к увеличению срока службы уплотнения. В любом случае присутствие смазывающей пленки между двумя кольцами уплотнения приводит к некоторому количеству утечек рабочей жидкости наружу. При условии параллельности поверхности пары трения наблюдается зависимость объема утечек от величины зазора, возведенной в третью степень. Формулу расчета утечек в данной статье мы приводить не будем, но на практике они могут составить от 0,01 до 30 мл/час при условии исправности уплотнений. Больший объем утечек говорит о некорректно подобранных или неправильно установленных уплотнениях. 

 

Объем утечек зависит также от следующих обстоятельств:

• наличие загрязнений на поверхности уплотнений

• шероховатость поверхности уплотнений

• наличие радиальных и осевых биений вала рабочего колеса

• температура перекачиваемой среды

• вязкость перекачиваемой среды

• скорость вращения вала

• давление в корпусе насоса

• правильность установки уплотнения

Пружины используются в торцевых уплотнениях для прижима вращающегося кольца уплотнения к неподвижному. В ряде конструкций пружина также несет функцию передачи крутящего момента. В уплотнении может быть одна центральная или несколько периферийных пружин. Преимущество уплотнений с центральной пружиной - в их дешевизне и простоте. Зато при поломке пружины уплотнение немедленно выходит из строя. Центральная пружина достаточно мощная, чтобы иметь возможность передачи крутящего момента с вала на уплотнение. Она не защищена корпусом уплотнения от воздействия среды, если в среде есть твердые примеси. Вариант уплотнения с центральной пружиной на стороне атмосферы лишен этого недостатка. Конструкция с множеством периферийных пружин выходит из строя постепенно, что дает возможность своевременно заметить небольшую утечку и поменять уплотнение. Сами по себе эти пружины маленькие, срок их службы меньше срока большой центральной пружины. Они не способны передавать крутящий момент вала на уплотнение. 

 

 

В сильфонных уплотнениях сильфон используется для передачи крутящего момента с вала на вращающееся кольцо уплотнения. Сильфон может быть эластомерным или металлическим. Эластомерные сильфоны обычно используют дополнительную центральную пружину для лучшего прилегания поверхностей пары колец уплотнения друг к другу. Именно уплотнения с эластомерным сильфоном и центральной пружиной являются наиболее дешевыми и распространенными видами уплотнений для общепромышленных насосов. Они составляют большинство всех используемых видов торцевых уплотнений. 

 

Уплотнения с металлическим сильфоном не требуют использования дополнительных пружин. Здесь сам по себе металлический сильфон одновременно и передает крутящий момент на вращающееся кольцо и прижимает это кольцо к неподвижному. 

 

Наконец, по еще одной классификации уплотнения делятся на картриджные и простые (компонентные). Картриджные уплотнения отличаются тем, что в нем все элементы объединены в единый корпус, что значительно облегчает их замену. В простых уплотнениях придется отдельно устанавливать кольца, пружину и сильфон, а в картриджных конструкциях достаточно надеть моноблок на корпус и закрепить его при помощи винтов и штифтов. 

Существуют задачи, где от насоса требуется полная герметичность, даже малейшие утечки недопустимы. В этом случае можно воспользоваться, насосами с магнитной муфтой, но те могут иметь ограничения, которые заставят все же использовать механические уплотнения. Например, насосы с магнитной муфтой крайне плохо относятся к присутствию в перекачиваемой среде твердых частиц. 

 

Чтобы исключить протечки (пусть и небольшие) при использовании торцевых уплотнений на валу устанавливают два уплотнения одновременно. При этом между уплотнениями находится камера с затворной жидкостью. Затворная жидкость обеспечивает смазку, промывку и охлаждение уплотнений, а также полностью исключает шанс попадания перекачиваемой среды наружу. В качестве затворной жидкости используется вода, глицерин или другие жидкости, не вступающие во взаимодействие с перекачиваемой средой. Существует 2 основных варианта расположения сдвоенных уплотнений: 

• Тандем

• Спина к спине

 

 

Разберем преимущества и недостатки каждой из схем. Вариант "Спина к спине" распространен чуть больше. При нем давление затворной жидкости должно быть на 1-2 бара больше давления перекачиваемой жидкости. Это может быть достигнуто при помощи специального сосуда, дозировочного насоса или гидроусилителя. Такого рода уплотнение хорошо тем, что зазор между вращаемым и неподвижным кольцами заполнен затворной жидкостью, следовательно туда не могут попасть твердые частицы и грязь, присутствующие в перекачиваемой среде. Это резко повышает срок службы уплотнения по сравнению со схемой "Тандем". 

 

При схеме уплотнения "Тандем" затворная жидкость имеет давление меньшее, чем перекачиваемая жидкость. В случае разгерметизации уплотнения перекачиваемая жидкость попадет в затворную, а не наоборот. Это может иметь существенное значение для ряда применений, когда недопустимо попадание в напорную линию посторонней жидкости. Кроме того, здесь меньше придется возиться с системой контроля давления затворной жидкости, что  тоже может быть важно в определенной ситуации. 

Правильной комбинацией материалов различных элементов уплотнения достигаются хорошие показатели работы уплотнения с конкретной перекачиваемой средой. Следует отдельно говорить о материалах, из которых изготавливаются различные элементы уплотнения:

• Пара трения (неподвижное и вращающееся кольцо)

• Уплотнительные кольца или сильфоны из эластомеров

• Прочие элементы (пружины, сильфоны, корпус уплотнения, штифты, болты и др.).

 

Материалы пары трения должны обладать особыми свойствами, ведь они непрерывно находятся в плотном контакте друг с другом и при этом двигаются друг относительно друга очень быстро (со скоростью вращения вала насоса). Их поверхность должна быть предельно гладкой, а способность противостоять износу очень высокой. 

 

• Угольный графит широко используется в качестве материала пары трения. Существует большое количество разновидностей графита, используемого в уплотнениях. Графит наиболее мягкий материал уплотнения. Он плохо переносит присутствие в воде твердых частиц, которые могут разрушить его поверхность и привести к выходу уплотнения из строя. Помимо угля графит также может быть пропитан смолами (для лучшей смазки) или металлами (для уменьшения коэффициента трения). Эти пропитки обеспечивают графиту наименьший коэффициент трения из всех материалов. Если есть риск сухого хода насоса, желательно, чтобы одно из колец уплотнения было сделано из графита. Также графит хорош при работе с горячими жидкостями, у которых смазывающие свойства ухудшены. Пропитки из металла понижают коррозионную стойкость графита и делают невозможным работу с пищевыми продуктами. 

 

• Оксид алюминия (Al2O3), который по другому называется глинозем. Чаще всего используется в паре с графитом. Он достаточно тверд, но обладает относительно слабой устойчивостью к коррозии.  Кислотостойкость глинозема увеличивается по мере роста его чистоты от примесей, но чистый оксид алюминия достаточно дорог, что лишает смысла использования его в уплотнениях. 

 

• Карбид вольфрама (WC) - очень твердый материала, наиболее устойчивый к твердым частицам в воде. Однако пара WC-WC обладает наибольшим коэффициентом трения, поэтому такую пару лучше использовать при малых скоростях вала, либо при использовании дополнительной смазки. 

 

• Карбид кремния (SiC) - имеет хорошие показатели по твердости и теплопроводности. Материал хрупкий и коэффициент трения в нем достаточно высок, выше только у пары WC-WC. Использование пропиток позволяет уменьшить этот коэффициент. 

 

• Алмазной покрытие - идеальное покрытие для поверхности пары трения. Имеет самую высокую твердость, теплопроводность. Оно устойчиво к коррозии и имеет низкий коэффициент трения. У алмазного покрытия один, но существенный недостаток, который определяет редкость его использования - очень высокая цена. 

 

 

• Графит/WC - данная пара хороша, если предполагается возможность работы по сухому, а также если температура жидкости высокая. Горячая вода имеет более высокую вязкость, а также повышенную скорость испарения в зазоре между поверхностями пары трения. Из-за этого снижаются ее смазывающие свойства. Именно графит в данной паре обеспечивает низкий коэффициент трения. В зависимости от пропитки графит накладывает ограничения по использования данной пары в зависимости от агрессивности перекачиваемой жидкости. Пара плохо переносит твердые частицы из-за мягкости графита. По этой же причине любое уплотнение с графитом плохо подходит для гликоля, в котором могут образоваться твердые частицы в результате кристаллизации. 

 

• Графит/SiC - свойства этой пары близки к предыдущей, однако происходит быстрый износ в горячей воде. 

 

• Графит/Al2O3 - наиболее дешевая пара уплотнения (часто ее называют Уголь/Алюмоксидная керамика). Имеет ограниченную устойчивость к коррозии (pH от 5 до 10), наиболее быстро изнашивается в горячей воде. 

 

• WC - WC - карбид вольфрама, используемый в качестве материала обоих колец очень плохо переносит работу без смазки из-за высокого коэффициента трения. Выход из строя уплотнения при работе "по сухому" происходит за несколько десятков секунд. Зато данная пара трения обладает наиболее высокими свойствами при работе с твердыми частицами. WC-WC - лучше всего подходит для работы с гликолем, в чей состав могут входить различные ингибиторы и щелочи, а также фосфаты и силикаты. Карбид вольфрама наилучшим образом противостоит возможной кристаллизации элементов гликоля благодаря своей твердости. 

 

SiC - SiC - карбид кремния, используемый в качестве материала обоих колец имеет меньший коэффициент трения по сравнению с предыдущей парой, но достаточно высокий по сравнению с графитом. Трение может быть уменьшено производителем за счет применения твердых смазок, в этом случае пара обладает хорошими свойствами по трению. SiC-SiC обладает наилучшими характеристиками по противостоянию коррозии. Свойства пары по твердости чуть хуже чем WC-WC. 

 

 

Материалы эластомерных вторичных уплотнений должны обеспечивать герметичность, должны быть устойчивы к температуре перекачиваемой жидкости, ее вязкости и агрессивности. 

 

• NBR или бутадиен-нитрильный каучук (нитрил). Недорогой материал с хорошими свойствами, который считается базовым для торцевых уплотнений. Высокая износостойкость сочетается со стойкостью к таким материалам как масла, вода, углеводороды: нефть, бензин, диз. топливо. Минимальная рабочая температура минус 40 градусов Цельсия. Максимальная рабочая температура 100 градусов Цельсия для масел, 80 градусов для воды. Материал плохо переносит абразивные частицы в жидкости. 

 

• EPDM - этилен пропиленовый каучук. По сравнению с NBR обладает лучшей устойчивостью к горячей воде, кислотам c концентрацией до 10%, щелочам, некоторым спиртам. Совершенно непригоден для работы с углеводородами: бензин, керосин, диз. топливо. Наличие в воде минеральных масел и жиров приводит к набуханию колец из EPDM. Диапазон рабочей температуры колеблется от -40 до +150 градусов Цельсия, для некоторых марок EPDM от -50 до +175 градусов. Материал хорошо переносит наличие абразивных частиц в жидкости. 

 

• Viton (FPM, FKM) - фторкаучук. Viton - зарегистрированная торговая марка американской фирмы Du Pont, FPM - международное название этого же материала, а FKM - американское название. Также имеется и русское обозначение - ФК или СФК. В каталоге того или иного производителя может встречаться любая из аббревиатур. Viton  обладает большим  спектром рабочей температуры по сравнению с предыдущими каучуками и имеет более высокую химическую стойкость. Он способен работать при температуре от -20 до +200 градусов (при использовании для масел; для воды до +90 градусов). Специальные марки морозостойкого фторкаучука могут выдержать температуры до -50 градусов. Фторкаучук обладает великолепной химической стойкостью по отношению к углеводородам, спиртам, асфальту и гудрону, горячей воде, концентрированным кислотам. Стойкость к щелочам средняя при условии, что температура жидкости не превысит 100 градусов Цельсия. Viton плохо переносит аммиак, низкомолекулярные органические кислоты (муравьиная, уксусная), а также полярные растворители (ацетон).  Стойкость к абразивным частицам умеренная. 

 

• FFKM -  перфторуглеродный каучук. Этот эластомер обладает наиболее высокой химической устойчивостью среди всех эластомеров, сравнимой с тефлоном. Он может использоваться при температуре жидкости до +230 градусов, как для воды, так и для масел. FFKM - самый дорогой эластомер, используемый в уплотнениях, поэтому обычно вместо него используют Viton. Стойкость к абразивным частицам умеренная. 

 

Пружины и металлические сильфоны изготавливаются из нержавеющей стали или специальных сплавов, обладающих повышенной устойчивостью к коррозии. Популярна в использовании группа сплавов под общим названием Хастеллой, в чей состав обязательно входит никель. Кроме него в состав могут входить молибден, хром, железо, медь, титан, марганец и другие металлы. Хастеллой ощутимо дороже нержавеющей стали, но его применение необходимо, например, в насосах, предназначенных для работы с концентрированным кислотами и щелочами. 

 

Прочие элементы уплотнений (держатели, болты, направляющие) могут быть изготовлены из металлов или жестких полимеров в зависимости от назначения насоса.