Механични уплътнения за помпи за питейни и отпадъчни води

Успешната експлоатация на една помпа зависи до голяма степен от избора на подходящи уплътнения. Както показва опитът, не съществува една-единствена помпа, способна да се справи с разнообразието от флуиди и приложения, която същевременно да отговаря и на отделните пазарни и законодателни изисквания. Същото може да се каже и за уплътненията. Това се демонстрира и от широката гама уплътнителни елементи, предназначени за производителите на помпи.

Механичните уплътнения за валовете на помпи, често наричани и челни, се състоят от два основни компонента – въртяща се и неподвижна част. Ротиращата се част е аксиално притисната към стационарната, свеждайки до минимум течовете от помпата.

Въпреки че лицевите повърхности на механичните уплътнения изискват частично омокряне до образуването на хидродинамичен филм, тези количества течност обикновено са пренебрежимо малки и се изпаряват. Повечето валове на съвременните помпи днес са с механични уплътнения. Поради естеството на метода и характера на компонентите, механичните уплътнения се смятат за една от основните причини за възникване на неизправности и престой на помпите. Това налага необходимостта от придобиване на по-добра представа за този вид уплътнения и тяхното приложение.

Основни елементи

Всички механични уплътнения включват следните елементи:

• Комплект от две първични уплътнителни челни повърхности – изключително плътният контакт между тези две повърхности, които са перпендикулярни на вала, минимизира течовете. Обикновено за челните повърхности се използват различни материали – един с по-висока твърдост и един с по-ниска, за да се предотврати слепване. Едната от повърхностите често се изпълнява от неподатлив на фрикционно износване материал, докато другата челна повърхност в повечето случаи е изработена от относително твърд материал. Когато обаче се работи с абразивен флуид, обикновено се използват две твърди повърхности;
• Комплект от вторични уплътнения, най-често О-пръстени, V-пръстени и др. – един статичен уплътнител за неподвижния компонент към корпуса и втори уплътнител за ротиращия се компонент към вала;
• Пружинен компонент за поддържане на контакта между челните повърхности, като единична пружина, няколко пружини или метални компенсатори.

За смазването на двете челни повърхности на механичното уплътнение е необходима чиста вода или друга съвместима с конструкционните материали течност. В зависимост от изискванията на системата смазването може да се осигурява от самия препомпван флуид или от външен източник.

Материали

Няколко материала са подходящи за изработването на челните повърхности на уплътнението. Както беше споменато, за да бъде рискът от теч минимален, междината между повърхнините трябва да е възможно най-малка, в резултат на което смазващият филм е с много малка дебелина. Това обуславя изискването материалите, от които се изпълняват челните повърхности, да бъдат устойчиви на триене една в друга при високи натоварвания и скорости. Поради това се предпочитат материали с нисък коефициент на триене, висока твърдост, добра корозионна устойчивост и висока топлопроводимост. Изборът на материали за челните повърхности е от решаващо значение за правилното функциониране и продължителността на експлоатация на механичните уплътнения.

Благодарение на антифрикционните си свойства графитът се използва широко за производството на механични уплътнения. Материалът е подходящ за изработка на контратела за много други материали. Всеки производител предлага различни класове графит, различаващи се по източника на въглерод, съдържанието на графит, гранулометричния състав, смесването и топлинната обработка. За да се получи непропускащ течове продукт, графитът трябва да бъде импрегниран, като за целта се използват метали или смоли. От металите се използват такива с ниска точка на топене като антимон, калай, олово или сплави от тях. От смолите за импрегниране често се прилагат фенолни смоли. За по-специфични цели импрегнираният със смола графит може да се подложи на допълнителна топлинна обработка до превръщането на смолата във въглерод. Понякога може да се наложи процесите на импрегниране да се повторят няколкократно до постигането на максимално ниво на непропускливост на течове.

Друг често използван материал за изработката на механични уплътнения за водни помпи е алуминиевият оксид. Широкото му приложение в тази област се определя предимно от добрата му устойчивост на износване и ниската цена. Алуминиевият оксид обаче е подходящ за приложения с ниски натоварвания заради ниската си топлопроводимост в сравнение с волфрамовия и силициевия карбид. Този материал се използва най-вече за контратела за графит.

Твърдостта на волфрамовия карбид е под тази на повечето керамични материали, докато устойчивостта му на износване е изключително висока. Поради тази причина волфрамовият карбид се предпочита за изработката на механични уплътнения за приложения, при които са налице абразивни частици.

Директно синтерованият силициев карбид е ронлив, което налага манипулирането с него да се извършва внимателно. Материалът е лек, с плътност от около 3 g/cm3.

Устойчивостта му на износване и корозия е много висока. Типичната порьозност на силициевият карбид е под 2%, като сферичните пори служат като резервоари за флуид или смазващо вещество, което спомага за поддържането на филм на границата между повърхностите на двата плъзгащи се компонента.

Видове механични уплътнения

На пазара се предлагат няколко вида конфигурации на механични уплътнения, като доброто познаване на работния им принцип е предпоставка за взимането на правилно решение при избора на уплътнител за конкретно приложение. Механичните челни уплътнения биват конвенционални, с О-пръстен, силфонни, небалансирани, балансирани и касетни.

Т. нар. pusher уплътнители включват вторични уплътнения, които се движат аксиално по продължение на вала с цел да поддържат контакта между челните повърхности, да поемат износването и да спомогнат за компенсиране на отклонението на вала. Предимство на този вид механични уплътнения е ниската им цена, както и широкият диапазон на размери и конфигурации, в които се предлагат. Основният им недостатък е, че съществува риск от блокиране на вторичното уплътнение и износване на вала особено ако уплътнението е изложено на въздействието на твърди частици.

Силфонните уплътнения (non-pusher) нямат вторични уплътнители, които да трябва да се движат по продължение на вала, за да се поддържа контактът между челните повърхности. При този вид уплътнения вторичното уплътнение е постоянно в статично положение дори когато водната помпа работи. Износването на челните повърхности на първичното уплътнение обикновено се поема от заварени метални или еластомерни силфони. Сред предимствата на силфонните уплътнения са възможността да се използват при високи и ниски температури (метални силфони) и елиминирането на риска от блокиране на вторичното уплътнение и износване на вала. Еластомерните силфони намират широко приложение в помпите за питейни и отпадъчни води. Недостатъците на тези уплътнения включват необходимост от силфони с по-голяма дебелина на напречното сечение при работа в корозивна среда и по-висока цена на металните силфони.

Касетните уплътнения се напасват директно върху вала и се предлагат в единични, двойни и тандемни конфигурации. Основното предимство на този вид механични челни уплътнения е, че се елиминира нуждата от провеждане на измервания за регулиране на уплътнението при монтаж. В допълнение касетните уплътнения намаляват разходите за поддръжка. Главният недостатък тук е по-високата цена.

Единичните уплътнения невинаги отговарят на изискванията на съвременните помпи, поради което индустрията разработва конфигурации с два комплекта челни повърхности. Изборът между единично и двойно уплътнение се свежда до първоначалните разходи за закупуване на уплътнението и разходите за експлоатация и поддръжка в комбинация с екологичните изисквания и емисионните стандарти за течове.

Съображения при избора

Изборът на механично уплътнение за вал на водна помпа трябва да бъде направен на база предвижданите работни условия. Сред най-важните фактори са диаметърът на уплътнението, типът на препомпвания флуид, температурата, налягането на уплътнението и скоростта на въртене на вала.

Диаметърът на уплътнението трябва да бъде избран така, че да пасне на вала на помпата. В случай че не е налично механично уплътнение с изисквания диаметър, е възможно диаметърът на вала да се промени посредством втулка.

Химичната устойчивост на материалите, използвани за механичното уплътнение, към препомпвания флуид също е много важен параметър. Вискозитетът на препомпвания флуид влияе на смазването и изтичането на флуид от уплътнението. Вискозитетът на повечето флуиди зависи от температурата. За флуиди с динамичен вискозитет под 2500 cP може да се използва единично механично уплътнение, а при по-високи стойности – двойно.

Еластомерните компоненти трябва да бъдат устойчиви на температурата на средата около уплътнението, която може да е различна от тази на препомпваната среда.

Ако температурата е над точката на кипене на флуида, смазването не е достатъчно добро, като това трябва да се отчете при избора на материал и конфигурация за уплътнението.

Ако скоростта на въртене на вала е ниска, при уплътнения, състоящи се от тяло и контратяло от два твърди материала, нивото на шум може да е по-високо, тъй като филмът в междината между двете повърхности е изключително тънък. При скорост над 15 m/s трябва да се използва балансирано уплътнение с въртящо се седло.

В допълнение към тези условия при избора на материали за уплътнителните пръстени трябва да се вземе предвид и съдържанието на абразивни частици и добавки в препомпваната среда. В някои случаи наличното пространство за разполагане на уплътнението на вала също е от значение.

В заключение може да се обобщи, че изборът на вид и конфигурация на механичните челни уплътнения трябва да отговори на изискванията за надеждност, разходи за жизнения цикъл и емисионни стандарти за конкретното приложение на помпата.