ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОРЦЕВЫХ УПЛОТНЕНИЙ В ПИТАТЕЛЬНЫХ И КОНДЕНСАТНЫХ НАСОСАХ

АННОТАЦИЯ

В этой статье исследуется важнейшая роль механических уплотнений в обеспечении эффективности работы и безопасности центробежных насосов с акцентом на их применение в сетевых насосах тепловых станций. Подчеркивая необходимость обеспечения полной герметичности уплотнений, особенно при работе с опасными жидкостями, в исследовании рассматриваются различные типы, материалы и размеры механических уплотнений и их значение для поддержания герметичности насоса. Благодаря детальному изучению базовой конструкции и принципов работы механических уплотнений, наряду с анализом неисправностей и выбором подходящих материалов, исследование подчеркивает важность точной центровки валов насосов и двигателей для продления срока службы уплотнений. В ней рассматриваются различия между одинарными и двойными механическими уплотнениями, их применение, а также инновационные подходы к охлаждению и контролю температуры в зоне уплотнения для предотвращения перегрева и кавитации. Полученные результаты подчеркивают необходимость выбора уплотнительных материалов в зависимости от фазового состояния перекачиваемой жидкости и внедрения систем охлаждения для поддержания оптимальной температуры в зоне уплотнения, тем самым повышая долговечность уплотнения и сводя к минимуму утечки в насосах, работающих при температуре воды выше 85-90°C.

ABSTRACT

This article investigates the critical role of mechanical seals in ensuring the operational efficiency and safety of centrifugal pumps, with a focus on their application in network pumps of heating plants. Emphasizing the necessity for complete seal integrity, particularly when handling hazardous liquids, the study delves into the various types, materials, and sizes of mechanical seals and their significance in maintaining pump hermeticity. Through a detailed examination of the basic structure and operational principles of mechanical seals, alongside an analysis of failures and the selection of appropriate materials, the research underscores the importance of precise alignment between pump shafts and motors to extend seal life. It explores the differences between single and double mechanical seals, their applications, and the innovative approaches to cooling and temperature control within the seal area to prevent overheating and cavitation. The findings highlight the selection of seal materials based on the phase state of the pumped fluid and the implementation of cooling systems to maintain optimal seal zone temperatures, thereby enhancing seal durability and minimizing leakage in pumps operating with water temperatures exceeding 85-90°C.

Ключевые слова: торцевые уплотнения, конденсатные насосы, насосы, эффективность торцевых уплотнений.

Keywords: mechanical seals, condensate pumps, pumps, efficiency of mechanical seals.

Введение

Для эффективной и безопасной эксплуатации оборудования обеспечивается его полная герметичность, это достигается за счет применения торцевых уплотнений в центробежных насосах, которые могут различаться по области применения, материалам изготовления, размерам и другим характеристикам. При выборе таких компонентов необходимо уделить внимание всем аспектам и отдать предпочтение наиболее надежным вариантам. Это особенно важно, учитывая, что часто требуется перекачивать разнообразные опасные жидкости, такие как токсичные, горючие или ядовитые.

Благодаря использованию торцевых уплотнений в центробежных насосах удается обеспечить герметизацию пространства между корпусом насоса и приводным валом от двигателя. Эти уплотнения являются расходными материалами, и с течением времени их износ требует замены, что осуществляется в ходе технического обслуживания. Торцевые уплотнители должны быть способными выдерживать высокое давление, трение от вращающегося вала, разницу в температуре и воздействие агрессивных сред. Подробное рассмотрение различных типов торцевых уплотнений позволяет более глубоко понять их характеристики и применимость.

В свою очередь циркуляционные, сетевые насосы теплоцентралей играют важную роль в обеспечении систем отопления и горячего водоснабжения целых городов. Они отвечают за перемещение теплоносителя от теплоэлектроцентралей к конечным потребителям и обратно, чтобы ее можно было подогреть в котлах.

Поэтому увеличение надежности работы этих насосов, сокращение времени, затрачиваемого на ремонты, и минимизация потерь воды через уплотнение становятся особенно важными.

Поэтому в качестве цели было выбрано рассмотрение вопросов, связанных с эффективностью использования торцевых уплотнений в питательных и конденсатных насосах. Для того, чтобы выполнить поставленную цель и всесторонне рассмотреть данную тему. В качестве методологической базы использовались научные статьи и иная специализированная литература отечественных и зарубежных авторов.

Материалы и методы

1.Принцип действия торцевого уплотнения

Особенность работы насосов заключается в том, что температура перекачиваемой жидкости может варьироваться от 70 до 130 ºC в зависимости от времени года и окружающей температуры воздуха. При этом избыточное давление остается относительно невысоким, предотвращая кипение и кавитацию внутри насоса.

Опыт использования как отечественных, так и импортных торцовых уплотнений в сетевых насосах привел к разнонаправленным результатам. В некоторых случаях уплотнения успешно справлялись с задачей, в других наблюдались утечки через уплотнение. Анализ показал несколько причин:

• Перегрев воды в зоне установки уплотнения свыше 80–85 ºC;
• Неправильный выбор материалов для уплотнительных колец;
• Несоответствие конструкции уплотнения условиям эксплуатации.

Рассмотрим базовую конструкцию простого торцевого уплотнения в насосе, которая включает в себя семь элементов, представленные на рисунке 1.

Рисунок 1. Конструкция торцевого уплотнения

1 - Корпус; 2 - Неподвижная (стационарная часть) уплотнения, закрепленная на валу; 3 - Вращающаяся часть уплотнения; 4 - Кольцо круглого сечения (вторичное вращающееся уплотнение); 5 - Пружина, обеспечивающая прилегание подвижной поверхности уплотнения к неподвижной; 6 - Сальниковая пластина; 7 - Зажимной винт.

Основа конструкции торцевого уплотнения заключается в соприкасающихся поверхностях подвижной и неподвижной частей, которые должны быть абсолютно плоскими и изготовлены из высокотвердых материалов, таких как карбид кремния или карбид вольфрама. Отметим, что правильная центровка между валом насоса и электродвигателем (или мотор-редуктором) играет ключевую роль в продлении срока службы торцевого уплотнения вала. Несовершенная центровка может привести к быстрому выходу из строя даже высококачественного уплотнения, особенно при высоких скоростях вращения вала насоса.

Между подвижной и неподвижной поверхностями торцевого уплотнения образуется пленка. Важно, чтобы эта пленка была обеспечена самим перекачиваемым продуктом [1].

2. Типы и виды торцевых уплотнений для центробежных насосов

Существует множество видов торцевых уплотнений, среди которых особое место занимает сальниковая набивка. Она, как уплотняющий элемент, проста в конструкции, доступна по цене и обладает высокой эффективностью. Этот компонент представляет собой толстую нить, бечевку или шнурок с особым плетением. Установленное на валу торцевое уплотнение центробежного насоса обеспечивает полную герметичность соединения.

Существует разнообразие материалов для производства сальниковых набивок, каждый производитель применяет свои технологии. Выбор уплотняющих элементов зависит от перекачиваемой жидкости насосом. Широко популярными являются изделия из гибкого графита, асбеста и стеклонити.

Главным преимуществом таких уплотнений является их универсальность, поскольку нет необходимости подбирать размер. Однако у этого вида торцевых уплотнений есть ряд недостатков:

• Неспособность выдерживать высокое давление, что приводит к возможным утечкам при гидроударах и несовместимости со многими видами жидкостей.
• Быстрый износ, несмотря на низкую стоимость, требует регулярной замены.
• Создание сопротивления вращающемуся валу, что приводит к потере мощности и увеличению энергопотребления.
• Возможность образования канавок на валу, что со временем приводит к нарушению герметичности и требует дорогостоящего ремонта.

Торцевые уплотнения для насосов, в отличие от сальниковой набивки, предоставляют более эффективное решение, лишенное перечисленных недостатков. Однако они стоят дороже, и при их выборе требуется учесть множество факторов, таких как рабочая среда и температура, химическая совместимость материалов уплотнения с перекачиваемой жидкостью, давление и скорость вращения вала. Такие уплотнения состоят из нескольких частей, где одна часть неподвижна, а другая связана с приводным валом.

Конструкция торцевых уплотнений может быть разнообразной, со множеством разновидностей, выбираемых в зависимости от типа насосного оборудования и условий эксплуатации. Универсальные торцевые уплотнения обычно включают корпус, стационарную часть, кольцо, вращающуюся часть, пружину, пластину и винтовой зажим.

Ключевыми моментами в эксплуатации торцевых уплотнений являются центровка привода и двигателя, так как их точность напрямую влияет на долговечность этих элементов. Несмотря на стоимость, торцевые уплотнения обеспечивают эффективную работу, минимизируя износ и нагрев благодаря образованию «смазывающей пленки» между его частями при работе мотора.

Одинарные торцовые уплотнения применяются для транспортировки жидкостей, которые не подвержены кристаллизации. Эти уплотнения не рекомендуется использовать с жидкостями, которые могут создавать пленку при неработающем моторе, так как это может привести к нагреву и поломке уплотнителей, что в свою очередь вызовет утечку рабочей среды. Одинарные торцовые элементы подходят для транспортировки пищевых жидкостей, фармацевтической и другой продукции, где отсутствует сахар и другие вещества, способные образовывать пленку.

Двойные торцовые уплотнения обладают высокой степенью надежности и могут использоваться для транспортировки различных типов жидкостей, включая токсичные и легковоспламеняющиеся. Эти уплотнения предотвращают протечку жидкости благодаря «запираемой жидкости», что делает их независимыми от типа перекачиваемой жидкости. Они находят применение при транспортировке нефти, продуктов ее переработки, а также при наличии газов в составе перекачиваемой среды.

Существует два основных типа двойных торцевых уплотнений: «спина к спине» и тандем (рис. 2).

Рисунок 2. Основные типы двойных торцевых уплотнений

Далее произведем сравнение двух основных типов двойных торцевых уплотнений: «спина к спине» и «тандем», с учетом детализации недостающих параметров для полноты сравнения (табл. 1).

Таблица 1.

Сравнение торцевых уплотнений: «спина к спине» и «тандем»

Также следует рассмотреть виды пружинных торцевых уплотнений: однопружинные и многопружинные механические уплотнения. Однопружинные уплотнения отличаются своей простотой и экономичностью, в то время как многопружинные уплотнения обеспечивают повышенную надежность и адаптивность для широкого спектра приложений [2,3].

Патронные торцевые уплотнения представляют собой удобное решение, предоставляемое в предварительно собранном виде, что значительно упрощает процесс замены. Их компактная конструкция и легкость установки делают их предпочтительным выбором в областях, где критическое значение имеет быстрое и эффективное техническое обслуживание.

Разъемные торцевые уплотнения представляют собой практичное решение для тех, кто стремится к легкой модернизации без полной разборки. Они идеально подходят для насосов, работающих в ограниченных пространствах или сложных условиях монтажа.

Сильфонные торцевые уплотнения, выполненные из металла, обеспечивают выдающуюся гибкость в эксплуатации, особенно в условиях высоких температур, агрессивных химических воздействий и жидкостей. Они нашли широкое применение в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. Для ситуаций, требующих высокой гибкости, эластомерные сильфоны позволяют адаптироваться к осевым и радиальным перемещениям вала.

Торцевые уплотнения с конической пружиной благодаря своей конструкции обеспечивают улучшенную стабильность и надежность. Идеально подходят для применений с умеренными и высокими давлениями и температурами.

Рисунок 2. Типы торцевых уплотнителей

3. Важность температуры жидкости

Температура воды в зоне установки уплотнения играет определяющую роль. При температуре ниже 80–85 ºC вода, находясь в плоскопараллельной щели между уплотнительными кольцами, нагревается от трения до температуры, близкой к точке кипения. Проходя через щель, вода остается в жидком состоянии, обеспечивая смазку и охлаждение колец уплотнительной пары, что продлевает срок службы уплотнения.

С другой стороны, при температуре в зоне установки уплотнения от 90 до 130 ºC и выше, необходимо учитывать давление уплотняемой жидкости. Например, при перепаде давления 4 кгс / см2 и температуре 90 ºC, подогреве в щели между уплотнительными кольцами до 15 ºC, вода может превратиться в пар, достигнув выходной кромки уплотнительного пояска. Это вызывает кавитационный износ колец и эрозию.

Уменьшение площадки контакта пояска в радиальном направлении может привести к пробою и непрерывной утечке, особенно при повышении давления. Повышение давления смещает зону кипения ближе к выходной кромке, что продлевает время работы уплотнения, но не полностью предотвращает кипение воды.

Результаты

Рассмотрим подход к выбору материалов для уплотнительных колец с учетом их работы без изменения фазового состояния жидкости. В этом случае важными критериями являются стойкость к абразивным и химическим воздействиям жидкости, а также обеспечение легкости скольжения. При работе уплотнений с изменением фазового состояния жидкости предпочтение следует отдавать материалам с более высокой ударной вязкостью. Это способствует рассеиванию энергии кавитации и «самовосстановлению» более твердых колец за счет износа более мягких. Например, сочетание карбида кремния и силицированного графита в уплотнительных кольцах может обеспечить более эффективную работу, чем просто карбид кремния. Высокое содержание графита способствует лучшему скольжению колец, что приводит к меньшему тепловыделению и длительному сроку службы уплотнения, при условии отсутствия абразивных частиц в перекачиваемой жидкости.

Конденсаторные насосы имеют различные конструкции, и анализ отказов уплотнений показывает, что не всегда соблюдается принцип поддержания температуры в зоне уплотнения на уровне 75-85 ºC. Например, в случае работы с водой при температурах 90 ºC и выше используется кольцевой холодильник, встроенный непосредственно в уплотнение. Встроенные холодильники позволяют использовать воду низкого качества в качестве охлаждающей жидкости. Другой метод снижения температуры в зоне уплотнения - подача в эту зону перекачиваемой жидкости с более низкой температурой, например, воды подпитки или компенсации утечек. Чтобы уменьшить перемешивание перекачиваемой и подаваемой в сальниковую камеру воды, применяется перегородка. В некоторых конструкциях насосов в сальниковых камерах устанавливают кольцевые холодильники вокруг вала, которые подают и отводят воду через специальные каналы в корпусе насоса.

Таким образом, в настоящее время разработаны и успешно работают торцовые уплотнения для насосов, перекачивающих сетевую воду с температурой более 85-90 ºC, обладающие долгим сроком службы и минимальными утечками [4].

Обсуждение

Торцевое уплотнение представляет собой важный элемент, играющий ключевую роль в предотвращении утечек жидкостей в окружающую среду. Эксперты высоко оценивают торцевые уплотнения по ряду причин, прописанных в таблице 2.

Таблица 2.

Важность торцевого уплотнения

Заключение

Таким образом можно сказать, что торцевые уплотнения полностью вытеснили традиционные методы благодаря своему неоспоримому превосходству. Эти механизмы проявляют выдающуюся устойчивость в сложных условиях эксплуатации, включая высокие температуры, давление и воздействие токсичных или агрессивных жидкостей, что обеспечивает повышенный уровень безопасности.

Данное исследование подтверждает значимость механических уплотнений для поддержания эксплуатационной целостности и экологической безопасности центробежных насосов. Благодаря детальной оценке различных типов и материалов уплотнений исследование подчеркивает острую необходимость выбора уплотнений, адаптированных к конкретным условиям эксплуатации, тем самым обеспечивая их долговечность и надежность. Выводы, полученные в результате этого анализа, свидетельствуют о том, что прогресс в области материаловедения и инженерных разработок является ключевым фактором оптимизации характеристик уплотнений. Будущие направления должны делать акцент на инновациях в технологиях уплотнений и стратегиях профилактического обслуживания, направленных на повышение устойчивости и эффективности насосных систем в промышленности.

Список литературы:

1. Использование торцевых уплотнений на очистных сооружениях [Электронный ресурс] Режим доступа: https://avtokomtg.com/articles/i-ispolzovaniye-torcevyh-uplotneniy-na-ochistnyh-sooruzheniyah/.– (дата обращения  13.02.2024).
2. Типы и виды торцевых уплотнений для центробежных насосов .[Электронный ресурс] Режим доступа: https://tdtechmash.ru/info/news/tipy-i-vidy-tortsevykh-uplotneniy/.– (дата обращения  13.02.2024).
3.  Виды уплотнений вала насоса (сальниковая набивка, одинарное торцевое уплотнение и разновидности двойных торцевых уплотнений) .[Электронный ресурс] Режим доступа: https://tehnogrupp.com/blog/tortsevoe-uplotnenie.– (дата обращения  13.02.2024).
4. Михайлов В. Е. О работе торцовых уплотнений в сетевых насосах [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.eprussia.ru/epr/125/9696.htm.– (дата обращения  13.02.2024).
5. What is Mechanical Seal? Types, Selection and Application of Mechanical Seal.[Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.allaboutpiping.com/mechanical-seal-types-selection-and-application.– (дата обращения  13.02.2024).