Технические основы и современное состояние рынка торцевых уплотнений

С.В.Березин, ООО «Флюитен»

С середины прошлого века торцевые уплотнения в качестве концевых уплотнений вращающихся валов постепенно набирали все большую популярность среди различных производителей ротационного оборудования, и в настоящее время заняли прочные лидирующие позиции на рынке оборудования, потеснив ранее широко применяемые во многих отраслях промышленности сальниковые набивки, которые сейчас в основном используются либо на неответственных позициях в химической промышленности, либо в шламовых насосах.

Главными преимуществами торцевых уплотнений являются большая наработка на отказ и отсутствие необходимости постоянного обслуживания во время эксплуатации. За прошедшее время типы и применяемые конструкции торцевых уплотнений значительно эволюционировали, сохранив, однако, принципиальные конструктивные элементы: кольца пары трения, статические и динамические вторичные уплотнительные элементы, пружины и элементы необходимые для передачи крутящего момента с вала.

Торцевые уплотнения можно разделить на 2 большие группы: компонентные (рис. 1) и картриджные (рис.2). Основным отличием является наличие у картриджных собственной втулки вала и корпуса уплотнения. Соответственно их самое большое преимущество - простой и быстрый монтаж-демонтаж узла целиком, экономия времени проведения ремонтных работ на насосе. В современных условиях первоначальная разница в цене уже не является столь значительной, а наличие у большинства производителей унифицированных ремонтных комплектов позволяет в период эксплуатации не закупать изделие в сборе при каждом ремонте насоса. Уплотнения из обеих групп могут быть выполнены в различных компоновках в зависимости от области применения и требований надзорных органов, а также от конкретных условий эксплуатации.

Рис. 1 Компонентное торцевое уплотнение                          Рис. 2 Картриджное торцевое уплотнение

По компоновке различают: одинарные торцевые уплотнения (рис. 3); двойные уплотнения, установленные по схеме тандем, то есть 2 одинарных уплотнения установленных последовательно друг за другом, а также классические двойные торцевые уплотнения, расположенные либо рабочей поверхностью подвижного кольца пары трения друг к другу, либо соответственно тыльной стороной друг к другу (рис. 4).

Рис. 3 Одинарное картриджное торцевое уплотнение                   Рис. 4 Двойное  компонентное торцевое уплотнение

Компоновка с одинарным уплотнением применяется в насосах, перекачивающих неагрессивные, негорючие жидкости с плотностью больше 600 кг/м³, некристаллизующиеся и с низким содержанием механических примесей. Достаточно часто применяют компоновку одинарного уплотнения с дополнительным сальниковым или щелевым. Фактически, это одинарное торцевое уплотнение, однако существует возможность подвода промывочной или охлаждающей жидкости за парой трения со стороны атмосферы, что расширяет диапазон применения уплотнения такой компоновки по сравнению с обычным одинарным.

Уплотнения в компоновке тандем можно считать двойными. Такая компоновка применяется для герметизации агрессивных, токсичных жидкостей, попадание которых в окружающую среду нежелательно. Основной недостаток этой компоновки в том, что пара трения со стороны перекачиваемого продукта смачивается собственно этим продуктом. В случае перекачивания жидкости, обладающей плохими смазывающими свойствами, либо высоковязкой, склонной к залипанию в застойных зонах, либо с содержанием мелкодисперсных механических примесей более 40% по весу, целесообразно перейти к схеме классического двойного уплотнения.

В классической компоновке двойного уплотнения обе пары трения смачиваются затворной жидкостью, находящейся в полости между продуктовой и атмосферной парой трения и под давлением большим, чем давление перекачиваемой среды. В случаях применения торцевых уплотнений для герметизации перекачиваемых жидкостей, попадание которых в окружающую среду категорически недопустимо, следует использовать только классическую компоновку двойного уплотнения, которая при нормальной эксплуатации гарантирует полную герметичность продукта.

В настоящее время существуют конструкции картриджных торцовых уплотнений, в основном спроектированных по стандарту API 682 (ГОСТ 32600) позволяющие использовать тандемную компоновку с затворной жидкостью под давлением большим давления продукта, так называемые реверсивные по давлению конструкции (рис. 5).

Рис. 5 Картриджное уплотнение в компоновке тандем, по стандарту API682 (ГОСТ 32600)

При выборе материалов различных элементов торцевых уплотнений руководствуются данными из опросных листов и экономической целесообразностью. Производители могут использовать широкий спектр различных современных материалов. В качестве материалов пары трения используются различные графиты, в том числе силицированный графит, карбид кремния и карбид вольфрама, нержавеющая сталь и ПТФЭ. Выбор того или иного материала определяется перекачиваемой средой, наличием механических примесей в ней и другими параметрами эксплуатации.

Однако существенным ограничением может служить область применения, например, пищевая промышленность, а также стандарты типа API682, в котором ряд материалов не рекомендован к использованию на опасных производствах. Принципиальной является парность применяемых материалов: твердый по твердому или мягкий по твердому.

Большим разнообразием отличается гамма материалов для вторичных уплотнений. В основном применяются различные виды эластомеров в зависимости от их химической устойчивости и температурного диапазона эксплуатации, однако возможны и другие варианты: ПТФЭ или терморасширенный графит. Различные корпусные детали и пружины изготавливаются в основном из нержавеющей стали, либо в случае недостаточной стойкости такого материала в рабочей жидкости из специальных сплавов. Например, во многих случаев плоские пружины, которые легко могут подвергнуться коррозии, по умолчанию изготавливают из сплава Hastelloy. Важно отметить, что производители уплотнений, как правило, сами не производят ни материалы, ни отдельные части уплотнений типа колец круглого сечения, прокладок, пружин или резиновых сильфонов, а пользуются продукцией специализированных субпоставщиков, выбирая тот или иной материал соответственно поставленной технической задаче. В такой ситуации основными конкурентными преимуществами становятся: тщательный выбор субпоставщиков, контроль качества поставляемых материалов, что на должном уровне могут обеспечить далеко не все производители уплотнений. Важным фактором, влияющим на ценообразование и сроки поставки изделий, является унификация элементов, применяемых в различных конструкциях одного производителя. В прямой связи с этим фактором находится объем производимой продукции.

Минимально необходимым набором параметров для подбора торцевого уплотнения является: перекачиваемая среда и ее характеристики, температура перекачиваемой среды, давление в сальниковой камере, частота вращения вала, давление паров, геометрия сальниковой камеры, диаметр вала под уплотнением.

Зачастую часть этих данных может отсутствовать или их достоверность вызывать сомнение, в этом случае выбирается более сложная и надежная конструкция уплотнения. Опытный специалист по подбору старается получить как можно больше информации, что не всегда находит понимание со стороны заказчика. Нередко встречаются, особенно на проектных этапах строительства новых производств, неточности в выборе материалов вторичных уплотнений, схемы обвязки торцовых уплотнений не учитывающие особенности применяемого на конкретном производстве технологического процесса. Причина обычно в отсутствии открытого диалога специалистов заказчика и производителя торцевых уплотнений, а результатом является снижение срока службы уплотнений и незапланированные выходы из строя насосов.

Соответственно, одним из важнейших факторов, влияющих на надежность применяемых торцевых уплотнений является технический опыт и компетенции инженеров по подбору уплотнений, а также диалог между соответствующими специалистами производителя и потенциального потребителя продукции.

В настоящий момент на российском рынке торцевых уплотнений наблюдаются значительные изменения. Большинство производителей и поставщиков из Европы и США не осуществляют поставки в виду санкционной политики. Немногочисленные российские производители перегружены заказами, что не может не радовать, однако не позволяет в ближайшей перспективе обеспечить все потребности рынка. В образовавшийся вакуум буквально хлынули многочисленные новые малоизвестные поставщики. Поэтому предприятиям-потребителям торцевых уплотнений следует относиться еще более ответственно к выбору поставщика, чем раньше. Необходимо работать с компаниями, имеющими хорошую производственную базу и международный опыт работы, персонал, обладающий проверенными компетенциями в плане поставок, технической поддержки и сервиса.