Autor: John P. Crawford

 

Właściwa specyfikacja i dobór systemów uszczelniających do pomp odśrodkowych może pomóc uzyskać wymaganą trwałość eksploatacyjną pomp i uniknąć konieczności wymiany lub naprawy pompy i związanych z tym kosztów i czasu. 

Systemy uszczelniające spełniają bardzo ważną funkcję w pompach. Kiedy na przykład uszkodzeniu ulega uszczelnienie łożyska, zanieczyszczenia mają otwartą drogę zarówno do łożyska jak i do środka smarnego. Czystość środka smarnego ma bardzo duży wpływ na trwałość eksploatacyjną łożyska. A jeżeli z powodu uszkodzonego uszczelnienia smar zostanie usunięty z łożyska, praca łożyska „na sucho” doprowadzi do jego szybkiego przedwczesnego uszkodzenia.

Pierścienie do promieniowego uszczelniania wałów od dawna były najpowszechniej stosowanym rodzajem uszczelnienia dla węzłów łożyskowych w pompach klasy ANSI. Ogólnie rzecz biorąc, pierścienie do promieniowego uszczelniania wałów działają jak bariery do utrzymywania środka smarnego i odrzucania zanieczyszczeń.

Uszczelnienia typu labiryntowego, znane także jako izolatory łożysk, są szczególnie zalecane do wzmocnionych pomp procesowych ANSI i pomp procesowych klasy API, ale zyskują akceptację do stosowania w pompach innych kategorii pracy. Te uszczelnienia charakteryzują się tym, że podczas pracy wytwarzają dynamiczny, wewnętrzny tor, którego zadaniem jest odrzucenie zanieczyszczeń w postaci płynów i cząstek stałych, przy równoczesnym utrzymywaniu środka smarnego. Te uszczelnienia są wykonywane z metalu lub plastiku dla uzyskania obojętności chemicznej, a przy ich poprawnym zamontowaniu zapewniają bardzo długą trwałość eksploatacyjną.

Mimo, że najbardziej odpowiedni system uszczelniający do pompy jest uzależniony od specjalnych wymagań aplikacji i warunków pracy, można sformułować kilka ogólnych zasad pomocnych przy dokonywaniu wyboru.

Łożyska do pomp
W pompach odśrodkowych konstrukcji API (generalnie w wysoko obciążonych pompach procesowych) łożyska są zazwyczaj zlokalizowane w dwóch miejscach.

Jednorzędowe łożysko kulkowe zwykłe zamontowane przy wirniku pompy przenosi obciążenia promieniowe i może przesuwać się osiowo w oprawie (dzięki czemu możliwe jest rozszerzanie się cieplne wału), a zespół łożysk kulkowych skośnych jest ustalony wzdłużnie na wale po stronie sprzęgła. Zespół łożysk kulkowych skośnych zapewnia właściwe położenie wzdłużne wirnika pompy i przenosi obciążenie wzdłużne i część obciążenia poprzecznego. 

Łożyskowania w pompach konstrukcji ANSI (generalnie w pompach do pracy przy małych i średnich obciążeniach) są podobne do układów łożysk w pompach API, z tą różnicą, że zespół łożysk kulkowych skośnych jest zastąpiony łożyskiem dwurzędowym (pojedyncze łożysko z dwoma rzędami kulek zastosowane jako łożysko ustalające).

Głównym zadaniem łożyskowania w pompie jest zapewnienie równomiernej, sprawnej pracy wału. Systemy uszczelniające przyczyniają się do uzyskania niezawodnej pracy łożysk i możliwości osiągnięcia pełnej trwałości eksploatacyjnej. 

Pierścienie do promieniowego uszczelniania wałów zazwyczaj składają się z następujących elementów:
Obudowy (z blachy stalowej lub elastomeru), z którą jest połączony materiał wargi uszczelniającej. Obudowa zapewnia wymagane pasowanie ciasne uszczelnienia w otworze oprawy. 
Wargi uszczelniającej z elastomeru lub innego materiału, która zapewnia dynamiczne i statyczne uszczelnienie wału. W pompach warga uszczelniająca powinna być zawsze skierowana w stronę materiału, który ma być zatrzymywany. Większość gumowych warg uszczelniających jest wykonywanych z mieszanki kauczuku nitrylowego. Stosowane są także specjalne materiały do współpracy z płynami syntetycznymi lub agresywnymi chemicznie środkami smarnymi.  

Użytkownicy mogą wybierać z szerokiego zakresu konstrukcji uszczelnień (i materiałów), aby uzyskać określone działanie. Uszczelnienia łożysk w pompach będą narażone na niskie i stosunkowo stałe różnice ciśnień, więc wystarczające w tym zastosowaniu są uszczelnienia ogólnego zastosowania. Jednakże w niektórych rodzajach pomp pierścienie do promieniowego uszczelniania wałów są wykorzystywane jako główne uszczelnienia do utrzymywania ciśnienia  (w których gniazdo uszczelnienia jest pod ciśnieniem). Do takich zastosowań producenci uszczelnień oferują specjalne profile warg uszczelniających, które są odporne na odkształcenia w wyniku działania siły nacisku od ciśnienia i mogą pracować przy umiarkowanych prędkościach obwodowych. 

W przypadkach, gdy występują wyższe prędkości wału, dopuszczalna różnica ciśnień między obiema stronami uszczelnienia jest mniejsza. Gdy ciśnienie działa na uszczelnienie, większa powierzchnia wargi uszczelniającej jest dociskana do wału, co powoduje większe tarcie (taki sam skutek wywołuje zwiększenie prędkości wału). Ponieważ efektem zbyt wysokiego tarcia jest szybsze zużycie i skrócona żywotność uszczelnienia i wału, te dwa parametry (ciśnienie i prędkość obwodowa lub współczynnik PV) muszą być zrównoważone względem siebie. Niektóre konstrukcje uszczelnień promieniowych, zwłaszcza takie, gdzie na wargi uszczelniające stosowane jest PTFE, dopuszczają współczynnik PV ponad 250000, w zależności od wymaganej trwałości eksploatacyjnej.    

Wybór uszczelnienia
Wyszczególnienie uszczelnień do pomp zaczyna się od wyboru właściwej konstrukcji do danej aplikacji. Na przykład dociskana sprężyną warga uszczelniająca pierścienia do promieniowego uszczelniania wałów będzie miała za zadanie utrzymywanie ciśnienia oleju lub płynu o niskiej lepkości. Następnie należy dopasować wymiary uszczelnienia do konstrukcji pompy (nie należy mieszać calowych i metrycznych wymiarów i tolerancji).

Dla uzyskania maksymalnej trwałości użytkowej i optymalnej pracy uszczelnienia, użytkownicy powinni ocenić wszystkie istotne warunki pracy, które będą stanowiły kolejne kryteria w doborze uszczelnienia. Wśród kluczowych parametrów roboczych, które należy uwzględnić przy doborze systemów uszczelniających w pompach są: 
Prędkość obwodowa. Każdy typ pierścieni do promieniowego uszczelniania wałów ma graniczną prędkość obwodową. Mówiąc ogólnie możliwa do uzyskania prędkość obwodowa i takie parametry jak moment obrotowy uszczelnienia, pobór mocy, temperatura pod wargą uszczelniającą oraz efekt bicia dynamicznego będą miały przeciwstawne proporcje. Te wszystkie związane z prędkością czynniki mogą ostatecznie przyczynić się do skrócenia trwałości uszczelnienia.

Większość standardowych pierścieni do promieniowego uszczelniania wałów o małej średnicy otworu, na wały o średnicy poniżej 8 cali, mają prędkość znamionową do 3600 stóp na minutę lub 18,3 metrów na sekundę, podczas gdy uszczelnienia wielkogabarytowe na wały o średnicy powyżej 8 cali, mają prędkość znamionową do około 5000 stóp na minutę lub 25,4 metrów na sekundę. Plastikowe uszczelnienia labiryntowe mogą zazwyczaj pracować z prędkościami do 5000 ft/min (25 m/s), podczas gdy wykonania z metalu mogą uzyskiwać 10000 ft/min (50,80 m/s). Przekraczanie tych zaleceń odnośnie prędkości wymaga zazwyczaj specjalnych rozwiązań konstrukcyjnych. 

Zmiany w konstrukcji, które mogą pomóc walczyć z negatywnymi skutkami wyższych prędkości wału obejmują zmniejszenie nacisku promieniowego na wargę uszczelniającą, zastosowanie materiału uszczelnienia odpornego na wyższe temperatury, zmianę typu lub zmianę lepkości środka smarnego, optymalizację powierzchni współpracującej z uszczelnieniem na wale oraz wymianę uszczelnienia na bezkontaktowe uszczelnienie labiryntowe. 
Temperatura. Każdy materiał uszczelnienia ma optymalny zakres pracy. Poza tym zakresem naprężenia termiczne spowodują stwardnienie mieszanki (a starzenie cieplne jest w przypadku kauczuku nitrylowego częstszą przyczyną uszkodzenia niż zużycie). Można to często zauważyć jako wyczuwalną twardość lub szereg promieniowych pęknięć. Zastosowanie lepszego materiału (takiego jak fluoropolimer lub PTFE) może przedłużyć granicę odporności cieplnej uszczelnienia, dzięki czemu sprosta ono wymaganiom warunków pracy w wielu pompach.   
Ciśnienie. Obciążenie od ciśnienia wynikającego z warunków pracy systemu lub będącego skutkiem uszkodzenia (jak na przykład zatkany odpowietrznik) spowoduje mechaniczne obciążenie i zniekształcenie profilu wargi uszczelniającej, w efekcie czego nastąpi szybkie zużycie i zniszczenie uszczelnienia. Standardowe pierścienie do promieniowego uszczelniania wałów są zaprojektowane na ciśnienia do jedynie około 7 psi (funtów na cal kwadratowy). W przypadku wyższych ciśnień należy wybrać uszczelnienia o specjalnym profilu i materiale wargi uszczelniającej.
Wykończenie powierzchni. Dla uzyskania optymalnej pracy i trwałości użytkowej pierścieni do promieniowego uszczelniania wałów zalecane jest stosowanie chropowatości wału Ra w miejscu styku z wargą uszczelniającą wynoszącej 8-17 µin (0,20-0,43 µm) przy skoku linii po obróbce maszynowej mniejszym niż 0 +/- 0,05 stopni. Powierzchnie pod uszczelnienia labiryntowe są mniej krytyczne i wykończenie powierzchni zgodnie z wymogami dla statycznych pierścieni uszczelniających o przekroju okrągłym jest wystarczające. 

Gumowe pierścienie do promieniowego uszczelniania wałów zapewniają ekonomiczną i wszechstronną ochronę łożysk w pompach. Ich styk z wałem może zapewniać zarówno utrzymywanie płynu jak i hermetyczne uszczelnienie oprawy. Ale należy rozumieć, że optymalizacja systemu uszczelniającego jest szukaniem stanu równowagi. Dokładna definicja wymagań aplikacyjnych, ocena wszystkich warunków oraz zastosowanie systematycznego podejścia do specyfikacji uszczelnienia może w znaczącym stopniu przyczynić się do jakości pracy uszczelnienia. 

Współpraca od początku z doświadczonym producentem łożysk i uszczelnień może pomóc wytyczyć najodpowiedniejszy kurs do dopasowania uszczelnienia do pompy.

 

 

Kontakt: SKF Polska S.A., www.skf.pl