Промышленный лизинг Промышленный лизинг  Методички 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 [ 55 ] 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76

-у,->

>.

<

-0,1 -0,1 о 0,1

0,3 ip, МПа

Рис. 9.44. Зависимость скорости изнашивания кольца пары трения от перепада давлений на уплотнении (абразив - карбид кремния; крупность - 5 мкм; концентрация - 10% по объему; Др = 0,33 МПа; v ~ 6,6 м/с)

При положительных значениях давлений гидросмеси скорость изнашивания е линейно зависит от давлений, причем при Ар = 0,3 МПа скорость изнашивания в 3,36 раза больше, чем при Ар = О (рис. 9.44).

При перепадах давлений со стороны затворной среды 0...0,15 МПа скорость изнашивания не зависит от перепада давлений и имеет вполне определенное значение. Это явление можно объяснить перераспределением гидравлического давления в стыке пары трения по мере ее специфического изнашивания в радиальном направлении.

9.7. Уплотнения для высокотемпературных жидкостей

Высокотемпературные процессы (до --450°С) используют в ряде отраслей промышленности: нефтеперерабатывающей, нефтехимической, энергетической и др. Обычно при температуре рабочей жидкости -40°С...-1-200°С для валов применяют торцовые уплотнения общепромышленного назначения.

Элементами, ограничивающими повышение температуры, в торцовом уплотнении являются пара трения и вторичное уплотнение.

Обязательным условием стабильной работы пары трения является наличие пленки жидкости в зазоре. Для его выполнения необходимо, чтобы температура жидкости перед парой трения была на АГкр (см. подразд. 9.8) ниже температуры парообразования. При выборе \}атериалов уплотнения необходимо учитывать температурные пределы применимости материалов пар трения. По данным Г. Филда, максимальная температура, °С, поверхностей трения для ряда материалов составляет: для наплавки стеллита на металлическом кольце, нирезиста, свинцовистой бронзы, ПТФЭ со стеклонаполнителем, окиси алюминия - 180; стеллита (монолитного)-230; графитированного углерода - 275; твердого сплава на основе карбида вольфрама - 400.

Одинарные торцовые уплотнения общепромышленного назначения со стандартными парами трения можно применять и при более высоких температурах, но тогда в конструкции должны быть предусмотрены специальные системы, обеспечивающие снижение температуры в зоне уплотнения (см. гл. 13). В этом случае всегда необходимо различать температуру перекачиваемой жидкости и температуру в зоне уплотнения.

Торцовые уплотнения, выпускаемые фирмой «Борг Уорнер» (США), работают без системы охлаждения. При работе на воде их относят к так называемым «парящим» уплотнениям, у которых паровая фаза образуется внутри стыка пары трения. Такие уплотнения с f пл < 1 (см. рис. 9.7, в) работают неустойчиво, имеют ресурс значительно меньший, чем «непарящие» уплотнения, но их применение оправдано, когда требования по ресурсу невысоки, а организация системы охлаждения либо невозможна, либо неэкономична.

До последнего времени элементы из эластомерных материалов вторичных уплотнений считали наиболее слабыми (при действии тепловых нагрузок) элементами торцовых уплотнений. Од-

нако с появлением новых термостойких материалов на базе графита надежность вторичных уплотнений существенно повысилась. Максимальная рабочая температура резины обычно превышает максимальную температуру, при которой можно эксплуатировать уплотнительный элемент из резины. Например, резина на основе нитрильного каучука в течение непродолжительного времени может работать при температуре 130°С, а максимальная рабочая температура уплотнительного кольца из нитрильного каучука составляет 80 °С. Филд определяет максимальную рабочую температуру как температуру, под воздействием которой резина теряет 50% упругости за год работы.

При выборе резины для вторичного уплотнения прежде всего рассматривают стойкость резины в рабочей среде,


а затем термостойкость: до 80 °С используют резины на основе нитрильного каучука, от 80 до 135°С - резины на основе этиленпропиленового каучука, от 135 до 200°С-резины на основе фторокаучука или фторопласта, при более высоких температурах - фторопласт со стекловолокном или специальные материалы на основе углеродного волокна.

ВНИИнефтемашем разработаны две базовые конструкции (Т и ОП) одинарных торцовых уплотнений центробежных нефтяных насосов, перекачивающих нефть, нефтепродукты, сжиженные углеводородные газы, органические растворители и другие жидкости, сходные с указанными по химико-физическим свойствам, с массовой концентрацией твердых частиц не более 0,2 %, размером не более 0,2 мм.

разовую конструкцию одинарного торцового уплотнения типа Т (рис. 9.45, табл. 9.16) применяют при давлении до 2,5 МПа и температуре -15...--80°С. Уплотнение разгруженное с вращающимся упругим элементом. Пару трения образуют вращающееся кольцо \, установленное на втулке 6 с уплотнитель-ным кольцом 3, и неподвижное кольцо 4, расположенное в корпусе. Контакт уплотнительных поверхностей пары трения обеспечивается набором мелких пружин 2. Втулка прикреплена к валу насоса клеммовым кольцом 5. Вращающееся кольцо изготовляют из стали 95X18, неподвижное - из углеграфита 2П-1000, пропитанного фенолформальде-гидной смолой, вторичное уплотнение - из резины ИРП-1225.


I Е Ш

Рис. 9.45. Торцовое уплотнение типа Т для неф1яных насосов



Таблица 9.16

Основные размеры уплотиений типа Т

Уплотнение

Вариант расположения отверстий во фланце (см. рис. 9.45)

44»

? 165

21,5

21,5

Т14А

Базовая конструкция одинарного торцового уплотнения типа ОП отличается от конструкции типа Т в основном тем, что вторичное уплотнение в ней изготовлено из фторопласта.

Торцовые уплотнения конструкции ВНИИнефтемаша представляют собой уплотнительные модули, которые устанавливают в насос в собранном виде.

Торцовые уплотнения всех типов взаимозаменяемы по присоединительным размерам.

При достаточно эффективной системе охлаждения одинарные торцовые уплотнения конструкции ВНИИнефтемаша достаточно надежно работают в насосах, перекачиваюших жидкости с температурой до 400 °С. Двойные торцовые уплотнения, несмотря на циркуляцию затворной жидкости через камеру уплотнения, имеют ограничение по температуре, определяемое термостойкостью материала вторичного уплотнения, например для фторопласта 200 °С.

Вопросы надежности торцовых уплотнений, эксплуатируемых в энергетической промышленности, имеют особое значение, так как питательные насосы в целях снижения капитальных затрат либо не имеют резерва, либо резервируются лишь частично.

На рис. 9.46 приведена конструкция торцового уплотнения фирмы «Бургманн» (ФРГ), предназначенного для непрерывной работы на питательных насосах [18]. Срок службы таких уплот-

нений составляет несколько десятков тысяч часов. Вращающееся кольцо 2 изготовлено из карбида вольфрама с никелем в качестве связки, неподвижное кольцо 1 из графита, пропитанного сурьмой. Уплотнение имеет следующие конструктивные особенности:

термогидродинамические циркуляционные канавки на поверхностях трения обеспечивают низкие коэффициент и момент трения (при такой конструкции уплотнительных колец требуется небольшой объем охлаждающей воды);

неподвижный поджимной элемент при


Рис. 9.46. Торцовое уплотнение для питательных насосов

скорости скольжения в паре трения 55 м/с способствует обеспечению стабильного зазора в паре трения;

лабиринтно-винтовой импеллер 3 обеспечивает подачу охлаждающей жидкости в широком диапазоне расходов (до нескольких сотен литров в минуту), обеспечивая достаточный расход при изменении частоты вращения;

направляющий канал а служит для подвода охлажденной воды к стыку пары трения (при этом отводится не только теплота, выделяющаяся при трении контактирующих поверхностей, но и частицы грязи).

Наряду с разработкой и совершенствованием уплотнительных комплексов, включающих торцовые уплотнения и вспомогательные системы охлаждения, в современной уплотнительной технике существует тенденция к созданию уплотнений без вспомогательных систем, работающих непосредственно в жидкостях с высокой температурой. Применение таких уплотнений дает значительный экономический эффект за счет снижения капитальных и экслуатацион-ных затрат.

Основные принципы конструирования торцового уплотнения, работающего в жидкостях с высокой температурой, следующие:

конструкцию уплотнительных колец пары трения следует выбирать, исходя из термостойкости и износостойкости материала;

неподвижное кольцо пары трения необходимо устанавливать с фиксацией по торцу и центрированием по наружному диаметр), что обеспечивает лучший теплоотвод от пары трения и меньшие температурные деформации;

при разработке конструкции вторичного уплотнения необходимо учитывать не только термостойкость эластомера, но и возможность обеспечения требуемой формы вторичного уплотнения;

при выборе вторичных ушютнений необходимо учитывать, что наиболее высокую термостойкость имеет металлический сильфон;


Рис. 9.47. Торцовое уплотнение с металлическим штампованным сильфоном: 1 - сильфон; 2 - пружина; 3 - неподвижное кольцо; 4 - вращающееся кольцо

для жидкостей, имеющих склонность к образованию твердых включений на выходной кромке стыка пары трения, обязательно применение вспомогательного уплотнения (обычно в виде дроссельной втулки с подачей затворной среды между основным уплотнением и втулкой).

Наиболее совершенными конструкциями, отвечающими требованиям работы в жидкостях с высокой температурой, являются конструкции специальных торцовых уплотнений с металлическим сильфоном (рис. 9.47). Такие уплотнения используют для сред, переходящих в жидкое состояние при высокой температуре, например асфальта и других жидкостей / (см. подразд. 9.6).

Применение таких уплотнений имеет определенные преимущества в сравнении с уплотнениями общепромышленного назначения:

более широкий диапазон применимости по температурам;

упрощение конструкции вследствие отказа от пружин (для сварных сильфонов) и организации гидравлической разгрузки без выполнения ступенчатой втулки;

отсутствие вторичного контактного уплотнения с низкой степенью надежности, обусловленной повышенной интенсивностью изнашивания, потерей подвижности при высокой адгезии резины, отложениями продуктов утечки шш




Рис. 9.48. Торцовое уплотнение с металлическим сварным сильфоном


потерей упругих свойств резины с течением времени;

большая компактность и меньшая металлоемкость при одинаковых рабочих параметрах.

Торцовое уплотнение с металлическим сварным сильфоном конструкции ВНИИ-гидромаша (рис. 9.48) предназначено для следующих условий работы: давление жидкости 3,0 МПа, температура до 400°С. Пара трения 1-2 выполнена из силицированного графита СГ-П или из алюмокарбидокремниевого графита ГАКК 55/40. Сварной сильфон 3 выполнен из стали 12Х18Н10Т. Уплотнение по валу осуществляется с помощью сферического кольца 4, вдавливаемого упорными винтами 5 в осевом направлении в зазор между валом и арматурной деталью.

Вращающийся упругий элемент крепится на валу стопорными винтами 6, равномерно расположенными между упорными винтами.

В конструкцию уплотнительного узла (рис. 9.49) входит также вспомогательное уплотнение 1 и каналы а подвода и отвода затворной среды. Такое конструктивное решение узла уплотнения используют в нефтеперерабатывающих устройствах для углеводородов с температурой от -1-180 до -1-425 °С. Подача

затворной среды (обычно пара с температурой 160 °С, давлением 0,5 МПа, расходом около 15 кг/ч) со стороны атмосферы обусловлена следующими причинами: необходимо исключить контакт утечек нефтепродуктов с воздухом (уплотнение выходит из строя в результате закоксо-вания пары трения и сильфона по внутреннему диаметру вследствие контакта с воздухом высокотемпературного нефтепродукта и его сгорания - затворная среда отделяет уплотнение от атмосферы и тем самым снижает ее окислительное действие);

необходимо охлаждение пары трения (в результате отвода теплоты затворной средой от пары трения снижается местная температура в паре трения); необходима очистка поверхностей тре-


Рис. 9.49. Уплотнительный узел для высокотемпературных жидкостей

ния (затворная жидкость уносит частищ.1 кокса с выходной кромки уплотнения);

необходим разогрев сильфона (многие высокотемпературные среды имеют точку плавления много выше температуры окружающего воздуха и требуется предварительный их прогрев; разогрев паром уменьшает дисковое трение сильфона при пуске уплотнения в работу и возвращает сильфону осевую подвижность).

9.8. Уплотнения для кипящих жидкостей и сжиженных газов

Эксплуатация контактных торцовых уплотнений в кипящих жидкостях (горячей воде, легких углеводородах, аммиаке) обычно сопровождается повышенными утечками и интенсивным изнашиванием пары трения. При работе уплотнений часто наблюдаются хлопки и вибрация, в результате которых происходят периодические выбросы рабочей жидкости в виде парожидкостной смеси. Нестабильность - характерная особенность работы торцовых уплотнений в кипящих жидкостях. Это явление возникает из-за вскипания жидкостной пленки между уплотнительными поверхностями, что вызывает нарушение режима смазки и перегрев пары трения. В результате скопления паров и температурных деформаций уплотнительных колец происходит раскрытие стыка. Возникают повышенные утечки, охлаждающие пару трения. Далее уплотнительный стык смыкается и на короткое время восстанавливается нормальный режим смазки и герметичность уплотнения. Затем процесс повторяется.

О кипении жидкости в паре трения обычно можно судить по состоянию уплотнительных поверхностей. На графитовых кольцах, как правило, возникают мелкие язвы (кратеры). Их появление объясняется тем, что при трении жидкость, проникающая в поры кольца, вскипает и давление в порах резко повышается. В результате таких «микровзрывов» происходит местное разру-

шение поверхности кольца. Вследствие соударений колец пары трения возможно выкрашивание наружной уплотнительной кромки. Поверхность части уплотнительного пояска, примыкающая к области низкого давления, обычно имеет повышенную шероховатость, что обусловлено трением без смазочного материала.

Условия, при которых в уплотнении возникает нестабильность, являются критическими. При появлении хлопков уплотнения еще работоспособны, хотя утечки и износ превышают допустимые значения. При небольшом повышении температуры жидкости перед уплотнением частота хлопков увеличивается. Дальнейшее повышение температуры ведет к разгерметизации уплотнения, требующему прекращения его эксплуатации.

Стабильность работы и длительный срок службы уплотнений достигается, когда удается избежать критических условий. Для этого необходимо, чтобы имелась определенная разность между температурой Гк кипения жидкости и температурой Tj жидкости на входе в уплотнение. Надежная работа уплотнения возможна при условии

AT > АГкр, (9.1)

где АГ - разность температур Тк и Ts, соответствующая условиям эксплуатации уплотнения; АТкр - разность температур 7i и 7, соответствующая критическим условиям.

Значение разности АТр зависит от давления, теплофизических и термодинамических свойств жидкости, скорости скольжения, степени нагруженности и материалов пары трения. Значения АГкр определены А. Лаймером для различных жидкостей при разных условиях эксплуатации уплотнений. В качестве Тк принята температура кипения жидкости при давлении Ps. Жидкости разделены на четыре группы: к первой группе отнесены вода и ее растворы, ко второй - легкие углеводороды с кинематической вязкостью менее 2-10"* мс, к третьей -



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 [ 55 ] 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76