Как продлить срок службы механического уплотнения?

В статье, опубликованной в сентябрьском номере за 2013 год журнала «Насосы и системы», под названием «Комплексная оценка - залог большой экономии» автор высказывается в поддержку комплексного подхода в повышении эффективности работы насосных систем. Автор отмечает, что самая распространенная причина потерянной энергии в этих системах – это насосы, которые не соответствуют по размерам их текущему применению, что ведет к значительному уменьшению напорного течения и работе насоса за пределами точки оптимального КПД. Такая работа насоса является причиной повышенного уровня вибрации и, как следствие, повреждений и сокращения срока службы подшипников и механических уплотнений. При такой эксплуатации износ механических уплотнений может стать предвестником других технических проблем, являющихся результатом ненадлежащей работы насосного оборудования.

Что является первопричиной износа уплотнений?

Средний срок службы механических уплотнений значительно вырос за последние 20 лет, и только за последние 10 лет средняя продолжительность периодов между заменой уплотнений увеличилась на 50%. Между тем, срок службы уплотнения может быть гораздо меньше ожидаемого, если он используется в ненадлежащих условиях эксплуатации. В большинстве случаев эти условия являются следствием того, что эксплуатация насоса осуществляется за пределами предусмотренной области применения.

Основной вывод сентябрьской статьи состоит в том, что даже надлежащим образом спроектированный, подобранное и установленное механическое уплотнение прослужит значительно меньше, по сравнению с его оптимальным сроком службы, если он не подходит системе или неправильно работает система в целом. Применяя комплексный подход к оценке и оптимизации работы существующей насосной системы, важно не только понимать вид неисправности оборудования, который может быть следствием неверного проектирования и работы системы, но и учитывать первопричины ее выхода из строя.

Первопричины

В случае преждевременного выхода из строя механических уплотнений следует рассмотреть и устранить несколько наиболее распространенных основных причин, чтобы обеспечить оптимальную работу системы в целом. Анализ поломок насосов на производственных предприятиях позволяет выявить общий набор видов неисправностей, самая большая доля которых приходится на уплотняющие устройства, которые выходят из строя в первую очередь. Обобщенный анализ, проведенный несколькими ведущими производителями механических уплотнений, показывает, что самой главной причиной неисправности уплотняющих устройств является непредусмотренная конструкцией эксплуатация вращающихся устройств.

Наиболее часто встречающиеся среди непредусмотренных конструкцией условия работы насоса, которые являются основными причинами короткого срока службы уплотнений, - чрезмерная вибрация, передаваемая через поверхности насоса к деталям уплотнения и недостаточный уровень смазки между поверхностями уплотнения. Детали, поломка которых ведет к неисправности насоса, и виды неисправностей приведены на рисунке 1 и 2.

Вибрация

Вибрация насосной системы может быть обусловлена несколькими причинами. Работа насоса за пределами точки оптимального КПД может вызвать рециркуляцию и кавитацию, которые могут стать причинами вибрации, передаваемой через импеллер и вал насоса на механическе уплотнение. Если в насосе установлен привод, позволяющий работу на различной скорости, то насос не должен работать на предельно допустимых значениях во избежание собственного резонанса насосной системы или ее деталей.

Износ и ухудшение качественных характеристик насосной системы по мере эксплуатации могут также являться причиной недопустимого уровня вибрации. Ассиметричный износ вращающихся деталей, таких как импеллер, часто вызываемый кавитацией из-за непредусмотренной конструкцией эксплуатации, ведет к разбалансировке. Разбалансировка и, как следствие, эксцентричное вращение ведут к износу контактных поверхностей подшипников и колец, обуславливающий повышенный радиальный зазор и вибрацию вала, передаваемую в область уплотнения. Еще одна из распространенных причин вибрации насосных систем – смещение оси соединений или впускной и выпускной трубы.

Независимо от причины, вибрация передается к уплотнению несколькими путями и обнаруживается при различных видах неисправностей. Самые распространенные виды неисправностей следующие:

• Выработка движущейся поверхности уплотнительного кольца круглого сечения и, как результат, смещение оси амортизированного уплотнительного кольца
• Изменение плотности смазки между поверхностями уплотнения и, как результат, износ поверхностей и появление сколов
• Усталостный излом сварных швов в стальном сильфонном уплотнении
• Износ приводных механизмов, включая штифты, зубцы, соответствующих пазов, желобов или отверстий и, как результат, смещение оси и повреждение уплотнительных колец
• Ослабление крепления ведущего фланца, обуславливающее потери при передаче вращающего момента к вращающимся деталям

Смазка поверхностей уплотнений

Сохранение смазки на поверхностях уплотнений – критически важное требование для системы механического уплотнения в насосе. Механические уплотнения, использующиеся во влажных условиях, рассчитаны на присутствие жидкостной пленки между поверхностями уплотнения, которая минимизирует износ и трение и обеспечивает безотказную работу. Чтобы добиться этой цели, подбираются вспомогательные системы для механических уплотнений, которые обеспечивают требуемый режим в уплотнительной камере для оптимальной эксплуатации уплотнений с сохранением качественных характеристик жидкостной пленки между поверхностями уплотнителя.

Эксплуатация насоса за пределами точки оптимального КПД может привести к появлению условий, которые вызывают ухудшение качественных характеристик или исчезновение жидкостной пленки. Это ведет к соприкосновению поверхностей и, как результат, к повышенному трению, локальному повышению температуры и ускоренному износу. Качественные характеристики поверхности уплотнения быстро ухудшаются, и в конечном итоге уплотнение выходит из строя.

Наиболее распространенные условия, при которых происходит ухудшение качеств или исчезновение жидкостной пленки:

• Кавитация (испарение) жидкости в уплотнительной камере (и, как результат, испарение жидкостной пленки)
• Повышение температуры в уплотнительной камере в условиях недостаточного потока жидкости, который является причиной испарения жидкости в уплотнительной камере
• Недостаточный поток охлаждения от вспомогательной системы механического уплотнителя (при обильном потоке или циркуляции жидкости из-за преграды)

Критически важные детали уплотнения

В конструкции уплотнений наиболее чувствительными деталями к вибрации и недостаточному уровню смазки обычно является соприкасающаяся пара уплотнительных колец. Материал уплотнительных колец подбирается с учетом условий, в которых используется уплотнение. Эти условия включают такие факторы, как температура, вещества, проходящие через систему, давление системы и скорости поверхности.

Условия, в которых находится поверхность деталей уплотнения, могут меняться очень быстро под действием вибрации, недостаточного уровня смазки или других неполадок. Хотя конструкция уплотняющей системы разработана с учетом действия различных факторов, все же поверхность уплотнения может повредиться при эксплуатации насоса, непредусмотренной его конструкцией, и в условиях использования, на которые он не рассчитан. Небольшое повреждение может привести к течи поверхности уплотнителя, вызванной проблемами в работе системы, которые не связаны с материалами, из которых изготовлено уплотнение, или с его конструкцией.

Выводы

Ухудшение качественных характеристик уплотнений и выполняемой им функции часто обусловлено ненадлежащей работой насосного оборудования. Применение комплексного упреждающего подхода к эффективности работы насосной системы, а также инвестиции в усовершенствование процесса и модернизацию системы для устранения основных причин, приводящих к неисправностям, позволяют сократить расходы на энергию, техническое обслуживание и время незапланированного простоя оборудования. Хотя правильно подобранная конструкция механического уплотнения помогает повысить его устойчивость к неблагоприятным факторам, самый надежный подход к решению данной проблемы – насосная система, в которой максимально устранены или сведены к минимуму основные причины, сокращающие срок службы механического уплотнения.