Торцевые уплотнения для абразивных сред: выбор и конструкция

Абразивной для уплотнения среду делают твёрдость, размер, угловатость и концентрация содержащихся в ней частиц; с ростом скорости потока те же частицы вызывают эрозию металлических деталей. Уплотнение для такой работы обязано удерживать твёрдую фазу вне зазора пары трения и вне всех подвижных зазоров, а при неизбежном контакте — сопротивляться износу.

В среде с твёрдыми частицами уплотнение должно удержать плёнку в зазоре пары трения, не пустить частицы в зазоры пружин и сильфона и сосредоточить повреждение на сменной детали — и всё это редко достигается одновременно. Основы принципа работы описаны в руководстве что такое торцевое уплотнение.

Руководство охватывает механизмы разрушения, семейства абразивных сред, решения по паре трения и механизму, выбор плана промывки и данные, необходимые для запроса. В горнодобывающей промышленности эти условия сочетаются наиболее жёстко; общая классификация приведена в руководстве по типам торцевых уплотнений.

Повреждение в абразивной среде редко имеет одну причину: по мере того как частицы попадают туда, куда не должны, несколько процессов запускают друг друга. Зазор пары трения измеряется микронами, поэтому одной частицы достаточно, чтобы нарушить плоскостность.

На разобранном уплотнении место следа износа — кольца пары трения, защитная втулка вала, полость пружин или атмосферная сторона — указывает на преобладающий механизм; о признаках см. руководство по отказам и обслуживанию уплотнений.

• Абразивный износ третьим телом: частица, застрявшая в зазоре, царапает оба кольца, и после потери плоскостности начинается утечка.
• Эрозия: поток с твёрдой фазой вырабатывает защитную втулку вала, корпус уплотнения и зону пружин, меняя нагрузку на паре трения.
• Забивание пружин и сильфона: частицы оседают между витками и в гофрах, пока не теряется осевой ход.
• Залипание уплотнения с подвижным вторичным уплотнением (pusher): отложения на поверхности скольжения резинового кольца фиксируют подвижное кольцо.
• Кристаллизация на атмосферной стороне: плёнка утечки испаряется и оставляет соль, которая царапает кольца и блокирует ход.
• Сухой ход при прекращении промывки: плёнка исчезает, и твёрдая пара трения быстро перегревается.

Абразивная среда — не один класс: минеральный шлам, волокнистая бумажная масса и сточная вода с песком нагружают уплотнение по-разному. Концентрация, твёрдость частиц, температура и химия вместе определяют материал и план промывки.

В горнодобывающей промышленности шламовые насосы, питающие насосы гидроциклонов, флотационные машины и обезвоживающее оборудование работают в крайне абразивной среде; в целлюлозно-бумажной насосы одновременно сталкиваются с высокой температурой, целлюлозными волокнами и отбеливающей химией.

• Минеральный шлам (пульпа): высокая концентрация твёрдых угловатых частиц; абразивный износ вместе с эрозией.
• Вода с песком: низкая концентрация, но твёрдое зерно; риск — осаждение при остановках и сухой контакт при пуске.
• Целлюлозная масса: скопление волокна и образование волокнистой пробки за кольцом плюс отбеливающая химия.
• Осадок сточных вод и сброс песколовки: переменная твёрдая фаза, волокнистый мусор, периодический режим.
• Кристаллизующиеся растворы (рассол, сахарный раствор, щёлочь): налёт на атмосферной стороне, кристаллы при охлаждении.

Пара по умолчанию в абразивной среде — твёрдое по твёрдому: карбид кремния на обоих кольцах сводит к минимуму потерю материала при истирании частицами. Там, где решает износ, предпочитают спечённый SSiC; реакционно-связанный RBSiC применяют там, где это позволяет химия, так как его свободная кремниевая фаза ограничивает работу в сильнощелочных средах. Там, где преобладают удар и шок, как на измельчении и хвостовых линиях, карбид вольфрама выигрывает за счёт трещиностойкости.

Цена твёрдой пары — низкая стойкость к сухому ходу: самосмазывающейся плёнки переноса нет, и после потери плёнки температура колец быстро растёт. Поэтому такую пару всегда назначают вместе с гарантией смазки — непрерывной чистой промывкой, обмывом (quench) на атмосферной стороне или двойным уплотнением на затворной жидкости. Углеграфит уместен только на чистой стороне; сравнение материалов дано в руководстве по карбиду кремния и карбиду вольфрама.

Эластомер выбирают по химии среды: EPDM для водных шламов, FKM для шламов с углеводородами, FFKM для агрессивной химии. В кристаллизующихся средах склонность поверхности под резиновым кольцом к отложениям значит больше, чем класс эластомера.

Первое решение — где расположены подвижные детали. Когда пружинный узел неподвижен, а вращается ответное кольцо, пружины выводятся из продукта, а вращение отбрасывает частицы наружу, и им труднее попасть в зазор пары трения. Геометрия камеры работает на ту же цель: коническая или расширенная уплотнительная камера с направляющими потока выпускает твёрдую фазу и пар наружу.

Второе решение — защита пружины. Закрытые пружины, однопружинные конструкции и пружинные узлы вне продукта не дают частицам оседать между витками; DR2-S — разгруженное промышленное уплотнение с защищёнными многочисленными пружинами и независимым направлением вращения. У металлического сильфона забиваться нечему, но гофры тоже могут заполняться, поэтому сильфон обычно ставят на чистую сторону или сочетают с промывкой.

Третье решение — ремонтопригодность. Картридж поставляется преднастроенным, поэтому на месте ничего не измеряют и замена идёт быстрее. HUHNSEAL — семейство одинарных и двойных картриджных уплотнений для среднего и тяжёлого режима.

API 682 называет вспомогательные системы уплотнений стандартными планами; в абразивной среде важны прежде всего два. API Plan 32 подаёт чистую жидкость в уплотнительную камеру от внешнего источника — обычно через втулку горловины и под давлением выше давления в камере, так что поток идёт из камеры в процесс и частицы не доходят до колец. Платой служит разбавление, поэтому Plan 32 подходит для шлама там, где это допускает водный баланс.

API Plan 53B — двойное уплотнение с затворной жидкостью под давлением, которое поддерживает баллонный аккумулятор, разделяющий газ и жидкость. Давление затворной жидкости держат выше давления в уплотнительной камере, поэтому небольшая утечка через внутреннее уплотнение идёт в процесс и представляет собой чистую затворную жидкость. Plan 53B подходит там, где разбавление недопустимо, чистой воды для промывки нет или среда токсична. Применяют и другие планы — 11, 13, 21, 53A и 54.

Одинарное уплотнение работает в абразивной среде, если чистая промывка идёт без перерыва и разбавление допустимо. Если хотя бы одно условие не выполняется, лучше двойное уплотнение.

В схеме под давлением внутренние кольца работают на чистой затворной жидкости, а шлам остаётся на наружном диаметре; наружное уплотнение целиком находится в затворной жидкости. Это снимает и абразивный износ третьим телом, и риск сухого хода при потере промывки; для токсичных сред, где недопустима утечка продукта в атмосферу, обычно требуют схему под давлением.

Плата — сложность системы: контур затворной жидкости, аккумулятор, контроль давления и уровня, место и более высокая начальная стоимость. Двойное уплотнение с буферной жидкостью без давления не разбавляет процесс, но его внутренние кольца по-прежнему обращены к среде.

Перечисленные данные решают больше, чем название среды. Когда их нет, выбор опирается на допущения, а допущения возвращаются ранним износом.

• Концентрация твёрдой фазы, гранулометрический состав, твёрдость и форма зерна.
• Допускается ли разбавление и приемлемый расход чистой воды.
• Давление в уплотнительной камере, условия всасывания и нагнетания насоса.
• Рабочая температура, температура пуска и после остановки.
• Химия: pH, хлориды, отбеливающие реагенты и содержание углеводородов.
• Непрерывность и давление чистой промывки, наличие блокировки при её прекращении.
• Частота пусков и остановов, риск осаждения при длительных простоях.
• Диаметр вала или втулки, диаметр камеры и осевая длина (DIN 24960, EN 12756), доступ для замены.

Meccanotecnica Umbra Turkey — турецкая компания итальянского производителя торцевых уплотнений Meccanotecnica Umbra S.p.A. Из промышленной зоны Икителли в Стамбуле компания производит и поставляет торцевые уплотнения, сальниковые набивки, прокладки и вращающиеся соединения для автомобильной промышленности, бытовой техники и промышленных насосов.

Семейство FUGESCO охватывает аксиальные и радиальные торцевые уплотнения: многопружинные изделия с независимым направлением вращения, описанные как универсальное промышленное решение. Данные по продукту дают 16 бар, 15 м/с и от -20 °C до +200 °C, материалы — SiC, углеграфит, FKM и EPDM. Ассортимент показан в каталоге Fugesco для горных и шламовых применений.

Картриджные уплотнения HUHNSEAL определены для среднего и тяжёлого режима на 25 бар, 20 м/с и от -40 °C до +260 °C, а двойной картридж подходит для схемы с затворной жидкостью. DR2-S работает до 30 бар и от -30 °C до +220 °C. Каждая величина — собственный предел изделия, а не обещание, что максимальные давление и температура совпадут.

В водоснабжении и очистке стоков применяют семейство Cityline, например MS-240 Munich — неразгруженное двунаправленное одинарное уплотнение с эластомерным сильфоном, доступное и в двойном исполнении. Весь ассортимент собран на странице продукции; свяжитесь с нами, приложив данные линии, чтобы получить поддержку по подбору.