Неисправности торцевых уплотнений: причины, диагностика и обслуживание

Основные причины неисправностей торцевых уплотнений — сухой ход, кавитация и вибрация, ошибки монтажа, перегрев и термические трещины, абразивные частицы, химическая несовместимость эластомеров, колебания давления, кристаллизация и недостаточная промывка или охлаждение. Уплотнение чаще всего течёт не из-за собственного дефекта, а из-за условий, в которых работает; поэтому надёжное решение — найти первопричину, прочитав, где начинается утечка и какие следы она оставляет на поверхностях трения.

Торцевое уплотнение работает на двух прецизионных поверхностях — одна вращается вместе с валом, другая неподвижна в корпусе — и на очень тонкой плёнке жидкости между ними. Поверхности обычно доводят до плоскостности в несколько гелиевых световых полос (одна полоса — около 0,3 мкм), то есть примерно меньше микрона, а толщина плёнки, как правило, имеет порядок микрона. Всё, что нарушает эту плёнку, лишает поверхности плоскостности или повреждает вторичные уплотнения, в итоге проявляется как утечка. Назначение каждого элемента подробно описано в статье что такое торцевое уплотнение.

На практике один и тот же признак может иметь разные причины: рост утечки бывает следствием сухого хода, ошибки монтажа или химического воздействия. Руководство сначала разделяет утечки по месту возникновения, затем разбирает каждую причину, делает диагностику конкретной с помощью таблицы «признак — причина» и порядка осмотра после демонтажа и завершается перечнем профилактических проверок.

Первый вопрос диагностики — не «почему», а «где». В типичном уплотнении у утечки есть несколько возможных путей: между двумя поверхностями, образующими первичное уплотнение; через вторичное уплотнение (уплотнительное кольцо, сильфон или клиновое кольцо), изолирующее вращающийся узел относительно вала или втулки; через статическую прокладку неподвижного кольца во фланце; через прокладку в месте посадки фланца на уплотнительную камеру и, в картриджных конструкциях, через уплотнительное кольцо между втулкой и валом. За каждым путём стоит своя группа причин.

Утечка через пару трения обычно выходит из зазора между фланцем и валом или втулкой и часто меняется вместе с режимом работы. Поскольку утечка через вращающееся вторичное уплотнение может проявляться в том же месте, различить их зачастую удаётся только после демонтажа. Утечка в стыке фланца с корпусом идёт не из самого уплотнения, а из-под прокладки фланца или из-за неравномерно затянутых болтов. Распространённая ошибка — принимать за утечку уплотнения жидкость из корпуса насоса, сливной пробки или трубного соединения.

Второе разграничение — течёт ли уплотнение в покое или только при работе. Если оно течёт и тогда, когда насос под давлением, но не вращается, первыми подозреваемыми становятся статические прокладки, порезанное или повреждённое вторичное уплотнение (уплотнительное кольцо, сильфон), повреждённая поверхность или пара трения, которая не может сомкнуться. Утечка, которая появляется только при работе или меняется с частотой вращения и температурой, чаще указывает на динамические причины: несоосность, вибрацию, термическую деформацию или вскипание среды в зазоре. Это не строгое правило, но оно заметно сужает круг подозреваемых до разборки.

• Очистите и осушите место утечки и проследите, откуда появляется первая новая капля.
• Наблюдайте утечку отдельно: в покое при давлении в насосе и при работе.
• По цвету, запаху и температуре определите, течёт ли рабочая среда или промывочная, затворная либо обмывочная жидкость.
• Запишите характер утечки: равномерные капли, нерегулярные выбросы или пар; шипение и пар указывают на вскипание в зазоре.
• Убедитесь, что болты фланца затянуты равномерно, а прокладка фланца на месте.
• Отдельно проверьте корпус, сливы и трубные соединения, чтобы исключить утечки, не связанные с уплотнением.

Сухой ход — частичная или полная потеря жидкостной плёнки между поверхностями трения и одна из самых известных причин отказов торцевых уплотнений. Без плёнки поверхности контактируют напрямую, и теплота трения нарастает за очень короткое время. Типичные причины — пуск насоса без удаления воздуха, срыв подачи на всасывании, опустевшая ёмкость, оставленная закрытой задвижка, воздух или газ, скопившийся в уплотнительной камере. В вертикальных насосах уплотнительная камера часто находится в верхней точке, поэтому воздушные мешки там образуются легче.

Следы сухого хода обычно отчётливы: быстрый износ и чрезмерно блестящий след на поверхности из углеграфита, углеграфитовая пыль вокруг уплотнения; термические трещины и изменение цвета на твёрдой поверхности; затвердевание, растрескивание и следы прогара на эластомерах рядом с парой трения. Пары из карбида кремния, где работают две твёрдые поверхности, не имеют самосмазывающегося углеродного слоя и поэтому обычно чувствительнее к сухому ходу, чем пары с углеграфитовым кольцом.

Сходный механизм — вскипание среды между поверхностями (flashing). На горячей воде, лёгких углеводородах и сжиженных газах, работающих вблизи точки кипения, теплота трения может превращать плёнку в пар; поверхности периодически размыкаются и смыкаются, уплотнение шипит, выбрасывает пар и течёт неравномерно, а на кромках колец могут появляться сколы. В этом случае удержание давления и температуры в уплотнительной камере вдали от условий кипения — охлаждением, повышением давления или подходящим планом промывки — обычно надёжнее, чем замена уплотнения.

Уплотнение чувствительно к механическому состоянию насоса. Кавитация — образование паровых пузырьков, когда местное давление на входе рабочего колеса падает ниже давления насыщенных паров среды, и их схлопывание в зонах более высокого давления; возникающие пульсации давления и вибрация мешают поверхностям постоянно следовать друг за другом. Недостаточный кавитационный запас (NPSH), забитый всасывающий фильтр и работа насоса вдали от точки наилучшего КПД, особенно при очень малой подаче, — распространённые источники кавитации и гидравлической нестабильности.

Источники вибрации и несоосности обычно находятся вне уплотнения: несоосность двигателя и насоса, изношенные подшипники, изогнутый вал или вал с биением, несбалансированное рабочее колесо и напряжения от трубопровода. Когда вал смещается в радиальном или осевом направлении, положение вращающегося кольца относительно неподвижного постоянно меняется, и пружина со вторичным уплотнением изнашиваются, пытаясь отслеживать это движение. В результате на поверхностях появляется эксцентричный или расширенный след износа, на углеграфитовом кольце — сколы кромки, на вторичном уплотнении — фреттинг-износ, а на валу или втулке под уплотнительным кольцом — канавка.

Поэтому до замены уплотнения следует измерить состояние подшипников, биение вала, осевой люфт и центровку муфты и сравнить их с предельными значениями из инструкции производителя. При повторяющихся отказах связь между трендом вибрации и ресурсом уплотнения — одна из самых сильных подсказок, где находится первопричина: в уплотнении или в насосе. Новое уплотнение, установленное без устранения неисправности насоса, скорее всего, откажет с теми же следами.

Если только что установленное уплотнение течёт в первые часы или дни, причина часто кроется в монтаже или пуске. В составных уплотнениях самая критичная настройка — рабочая длина пружины: если вращающийся узел закреплён на валу в неверном положении, пружина либо пережата, и поверхности перегружаются и греются, либо недожата, и поверхности недостаточно смыкаются, особенно при низком давлении. Монтажную длину следует выставлять по фактическим размерам уплотнительной камеры и фланца и по значению на чертеже производителя.

Повреждение поверхностей — вторая крупная группа ошибок. Если доведённые поверхности берут голыми руками, на них попадают жир и грязь; если их кладут на грязное основание или задевают о кромку при надевании на вал, появляются трудно различимые царапины и сколы, которые с первого пуска становятся путями утечки. Уплотнительные кольца можно порезать при проходе через шпоночный паз, резьбовой конец или ступень вала без фаски; неподходящая монтажная смазка может вызвать набухание эластомера, например пластичная смазка на основе минерального масла для кольца из EPDM. Неравномерная затяжка болтов фланца устанавливает неподвижное кольцо с перекосом и может деформировать его. Работа конструкции, зависящей от направления вращения, в обратную сторону — ещё одна известная причина ранних отказов.

Пуск — последний этап монтажа, и его часто проводят в спешке. Перед пуском насос и уплотнительную камеру нужно заполнить средой и удалить из них воздух; системы промывки, затворной жидкости или обмыва, если они есть, вводят в работу раньше насоса. Направление вращения двигателя по возможности проверяют при разъединённой муфте, потому что даже кратковременное вращение насоса с сухим уплотнением может повредить поверхности. В картриджных уплотнениях монтажные фиксаторы снимают после закрепления фланца и втулки и до первого пуска. Картриджные торцевые уплотнения, у которых монтажная длина выставлена на заводе, значительно сокращают ошибки установки рабочей длины пружины и обращения с поверхностями; заполнение, удаление воздуха и снятие монтажных фиксаторов по-прежнему зависят от работ на объекте. О выборе типа под применение см. руководство виды торцевых уплотнений.

Трение между поверхностями всегда выделяет тепло, которое должно отводиться средой и циркуляцией в уплотнительной камере. Поскольку тепловыделение растёт с нагрузкой на поверхности, скоростью скольжения и коэффициентом трения, неразгруженное уплотнение при высоком давлении и частоте вращения греется заметно сильнее разгруженного. Если тепло не отводится, плёнка истончается, трение растёт, и процесс может стать самоподдерживающимся.

Термические трещины (heat checking) проявляются на твёрдой поверхности как тонкие трещины, идущие преимущественно в радиальном направлении. Кромки трещин работают по ответному кольцу как режущий инструмент, и утечка быстро растёт. Термические трещины обычно возникают из-за чрезмерной теплоты трения, создающей локальные горячие точки на поверхности, и повторяющихся циклов нагрева и охлаждения; внезапное смачивание горячей поверхности холодной средой после сухого хода может ускорить это повреждение. Термическая деформация коварнее: поверхности теряют плоскостность без трещин, след износа сужается или становится неравномерным по окружности, и утечка обычно сильнее заметна при работе в горячем состоянии; если поверхности приработались в деформированном виде, утечка может сохраняться и в холодном состоянии. Вздутие (блистеринг) углеграфитового кольца — ещё одна форма повреждения, характерная прежде всего для вязких масел и режимов с частыми пусками и остановками; его обычно связывают с высокими касательными напряжениями в момент начала вращения, и холодные пуски, когда вязкость выше, могут повышать риск.

Стандартный способ управлять теплом и загрязнением в уплотнительной камере — планы промывки и охлаждения; API 682 описывает эти вспомогательные системы стандартными номерами планов. Кратко: API Plan 32 подаёт в уплотнительную камеру чистую совместимую жидкость от внешнего источника и удерживает горячую или загрязнённую рабочую среду вдали от поверхностей, а API Plan 53B — двойное уплотнение с затворной жидкостью под давлением, которое поддерживает баллонный аккумулятор. Забитая дроссельная шайба, закрытый вентиль, отключённый охладитель или падение давления затворной жидкости — первое, что нужно проверить до замены уплотнения. Выбор между Plan 32 и Plan 53B для абразивных сред подробно разобран в руководстве торцевые уплотнения для абразивных сред.

Твёрдые частицы, попавшие между поверхностями, работают как притирочная паста. Более мягкая поверхность, обычно углеграфит, быстро изнашивается, на парах трения образуются кольцевые риски и канавки; твёрдая частица, вдавленная в мягкое кольцо, постоянно царапает ответную поверхность. Твёрдая фаза может также скапливаться между витками пружин и за вращающимся узлом и мешать работе пружины; в уплотнениях с кольцом забитая зона скольжения не даёт поверхности отслеживать износ.

Расположение износа тоже информативно. В распространённой схеме, где рабочая среда находится у наружного диаметра колец, износ с рисками и канавками, начинающийся от наружной кромки и идущий внутрь, может указывать на попадание частиц со стороны процесса, а гладкий след без рисок, смещённый к внутреннему или наружному диаметру, говорит скорее о деформации, чем об абразивном износе. Глубокие канавки по всей поверхности также могут говорить о высоком содержании твёрдой фазы или недостаточной промывке. Вода с песком, горные шламы, целлюлозная масса и растворы с кристаллами — типичные области этого вида отказа; в горнодобывающей промышленности эти условия сочетаются наиболее жёстко.

Решение обычно трёхуровневое: пары, где работают две твёрдые поверхности (карбид кремния по карбиду кремния или карбид кремния по карбиду вольфрама), конструкции с пружиной, защищённой от среды, или с одной крупной пружиной и план промывки, удерживающий частицы вдали от поверхностей. Следует помнить, что пары «твёрдое — твёрдое» чувствительнее к сухому ходу. Там, где присутствуют также удары и вибрация, на первый план выходят материалы с более высокой трещиностойкостью; о выборе пары трения см. сравнение карбида кремния и карбида вольфрама.

Химическая несовместимость часто проявляется во вторичных уплотнениях раньше, чем на парах трения. Эластомер, не подходящий к среде, набухает, размягчается и заклинивает в зоне скольжения или выдавливается из канавки; некоторые среды и высокая температура, напротив, вызывают затвердевание, растрескивание и остаточную деформацию сжатия (compression set). Затвердевшее уплотнительное кольцо больше не пружинит в канавке и пропускает среду, особенно при перепадах температуры. Известные примеры — ограниченная совместимость EPDM с минеральными маслами, NBR — со многими ароматическими растворителями и сильными окислителями, стандартных марок FKM — с кетонами, аминами и горячей водой или паром.

Химическому воздействию подвержены и материалы пар трения. В карбиде вольфрама на кобальтовой связке кислые среды растворяют связку, и зёрна выкрашиваются из поверхности; свободный кремний в реакционно-спечённом карбиде кремния может растворяться в сильных щелочах; пропитка углеграфита может разрушаться в некоторых агрессивных средах. Помутнение, питтинг или огрубление поверхности могут быть следом такого воздействия. Для пружин и других металлических деталей следует учитывать и коррозионное растрескивание под напряжением, особенно в хлоридсодержащих средах.

Надёжное решение — подбирать материалы, оценивая вместе полный состав среды, моющие химикаты и диапазон температур; логика подбора изложена в руководстве выбор материалов уплотнительных изделий. В процессах химической промышленности, где одновременно присутствует много агрессивных веществ, уплотнения из перфторэластомера (FFKM) обеспечивают широкую химическую стойкость; подробнее — в статье торцевые уплотнения с FFKM (Kalrez®). Kalrez® — зарегистрированный товарный знак DuPont.

Сила, удерживающая поверхности сомкнутыми, складывается из предварительного поджатия пружины и усилия, которое рабочее давление передаёт на кольца, а давление плёнки между поверхностями стремится их раздвинуть. Этот баланс может нарушиться при резком падении давления, при воздействии обратного давления (например, при потере давления затворной жидкости в двойном уплотнении или при работе под вакуумом) и при резких скачках давления, таких как гидроудар. Поверхности могут кратковременно раскрыться и впустить частицы; неподвижное кольцо, не рассчитанное на обратное давление, может сместиться в посадочном месте. Итог — прерывистая утечка, сколы кромок или сместившиеся детали.

Кристаллизация и высыхание возникают, когда очень малое количество среды, проходящее через пару трения, испаряется на атмосферной стороне и оставляет соль, сахар, полимер или налёт. Эти отложения могут царапать поверхности, а главное — в уплотнениях с кольцом они мешают осевому перемещению подвижного кольца. По мере износа пружина уже не может продвинуть кольцо вперёд, и между поверхностями остаётся зазор; это называется зависанием (hang-up). На зависание может указывать ситуация, когда уплотнение, долго работавшее без проблем, начинает течь при повторном пуске после остановки. При демонтаже в зоне скольжения уплотнительного кольца обнаруживаются отложения, а подвижное кольцо часто не перемещается свободно в осевом направлении от руки; именно эта находка сильнее всего подтверждает зависание.

В качестве мер на атмосферной стороне можно применить обмыв (quench) чистой водой или паром; можно выбрать сильфонные конструкции без скользящего кольца или однопружинные конструкции, более стойкие к отложениям; в тяжёлых случаях более подходящим может оказаться двойное уплотнение с затворной жидкостью. В конструкциях с металлическим сильфоном, таких как MS-350, вторичное уплотнение обеспечивает упругий сильфон, а не скользящее кольцо, поэтому зависание из-за уплотнительного кольца исключено; однако отложения могут скапливаться между гофрами сильфона, поэтому на кристаллизующихся средах необходимость обмыва следует оценивать отдельно. Против раскрытия под действием давления в первую очередь рассматривают уплотнение, рассчитанное на давление с обеих сторон (двусторонне разгруженное), с механически зафиксированным неподвижным кольцом, если возможно обратное давление, достаточное поджатие пружины и исключение резких манипуляций задвижками на стороне процесса. Разгруженная конструкция снижает нагрузку на поверхности и тепловыделение, но сама по себе не защищает от раскрытия.

В таблице этого раздела распространённые на практике признаки сопоставлены с возможными причинами и первыми проверками. У одного признака может быть несколько причин; таблица — не ранжирование по приоритету, а отправная точка, чтобы сузить круг подозреваемых до разборки. Если подходят сразу несколько строк, ищите общий знаменатель: например, при одновременном росте температуры и износе углеграфита линия промывки часто оказывается одним из первых мест для проверки.

Простая замена отказавшего уплотнения новым может привести к повторению того же отказа, поскольку первопричина остаётся. Снятые детали — самая достоверная запись отказа, поэтому их нужно осмотреть и по возможности сфотографировать до очистки и до удаления отложений.

След износа — самая ценная подсказка. При нормальной работе на более широком кольце виден ровный след шириной, равной ширине более узкого кольца, идущий по всей окружности. След, сосредоточенный только на части окружности, или прерывистый след может указывать на деформированное или перекошенное кольцо; след шире узкого кольца — на биение вала, несоосность или нецентрированную установку неподвижного кольца; узкий след, по всей окружности смещённый к внутреннему или наружному диаметру, — на деформацию от давления или тепла; отсутствие следа или очень слабый след — на недостаточную нагрузку поверхностей: недостаточное поджатие пружины, зависание или раскрытие под обратным давлением.

Эластомеры и металлические детали нужно осматривать так же внимательно. Если оценивать находки вместе с записями температуры, давления и вибрации, а также датами остановок и пусков, первопричина обычно становится ясной. Перечень шагов в этом разделе предлагает порядок осмотра, применимый на объекте.

• До демонтажа запишите место утечки, режим работы и дату последнего пуска.
• До разборки отметьте или измерьте положение вращающегося узла на валу и монтажную длину.
• До очистки деталей осмотрите отложения, кристаллы, изменение цвета и следы прогара.
• Сравните ширину, непрерывность и положение следа износа на обеих поверхностях.
• Ищите на твёрдой поверхности термические трещины, сколы кромки и коррозию, на углеграфитовой — риски, вздутия и сколы. Если рассматривается повторное использование, проверьте плоскостность с помощью плоской оптической пластины и монохроматического света.
• Проверьте уплотнительные кольца и сильфоны на порезы, набухание, затвердевание и остаточную деформацию, а пружины — на поломку, коррозию и засорение.
• Осмотрите втулку и вал на канавки, фреттинг-износ и отложения, а подшипники — на люфт и износ.
• Сопоставьте находки с эксплуатационными и ремонтными записями и определите корректирующее действие до установки нового уплотнения.

Обслуживание торцевых уплотнений — это не столько периодический демонтаж, сколько регулярный контроль условий работы и раннее выявление отклонений. Исправно работающее уплотнение обычно не требует прямого вмешательства; задача обслуживания — поддерживать в порядке окружающие его системы: насос, план промывки, систему затворной жидкости и центровку.

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. Чтобы подобрать уплотнение под ваше применение, откройте каталог продукции, а для оценки повторяющегося отказа свяжитесь с нашей инженерной группой.

Периодичность проверок следует устанавливать с учётом применения, класса опасности среды, стратегии обслуживания предприятия и инструкции производителя. Если каждое измерение выполняется в одной и той же точке и одним и тем же способом, можно читать тренд, а не отдельные значения. Таблица этого раздела обобщает пункты проверки, способ их выполнения и то, на что указывает каждый из них.