Cum funcționează etanșările mecanice ale pompelor?

Garnituri mecanicesunt esențiale pentru o construcție robustăMecanismul de etanșare al pompei, prevenind eficient scurgerile de fluid în jurul unui arbore de pompă în rotație. ÎnțelegereaPrincipiul de funcționare al etanșării mecaniceimplică recunoaștereaImportanța inelelor O în etanșările pompelorpentru etanșare statică șiRolul arcurilor în etanșările mecanicepentru menținerea contactului facial. Această abordare cuprinzătoare clarificăCum funcționează o etanșare mecanică a unei pompe centrifugeÎn 2024, aceste componente vitale au generat venituri de piață în valoare de 2.004,26 milioane USD.

Concluzii cheie

• Garnituri mecaniceopresc scurgerile de fluid în jurul arborelui rotativ al unei pompe. Acestea folosesc două părți principale, o față rotativă și o față staționară, care se presează împreună pentru a crea o etanșare strânsă.
• Între aceste fețe se formează un strat subțire de fluid, numit peliculă hidrodinamică. Această peliculă acționează ca un lubrifiant, reducând uzura și oprind scurgerile, ceea ce ajută la o durată mai lungă de etanșare.
• Alegerea etanșării mecanice potrivitedepinde de factori precum tipul de fluid, presiunea și viteza. Selecția și îngrijirea corectă ajută la buna funcționare a etanșărilor și la economisirea banilor la întreținere.

Componentele cheie ale etanșărilor mecanice ale pompelor

Înțelegereapărțile individuale ale unei etanșări mecaniceajută la clarificarea funcției sale generale. Fiecare componentă joacă un rol crucial în prevenirea scurgerilor și asigurarea funcționării eficiente a pompei.

Fața de etanșare rotativă

Fața de etanșare rotativă se atașează direct la arborele pompei. Se rotește odată cu arborele, formând o jumătate a interfeței de etanșare primare. Producătorii selectează materialele pentru această componentă pe baza proprietăților fluidului și a condițiilor de funcționare.

Materialele comune pentru suprafețele de etanșare rotative includ:

• Amestecuri de grafit de carbon, adesea utilizate ca material pentru fața de uzură.
• Carbură de tungsten, un material cu față dură legat cu cobalt sau nichel.
• Ceramică, cum ar fi oxidul de aluminiu, potrivită pentru aplicații cu sarcini reduse.
• Bronzul, un material mai moale și mai flexibil, cu proprietăți lubrifiante limitate.
• Ni-Resist, o fontă austenitică care conține nichel.
• Stellite®, un metal din aliaj de cobalt-crom.
• GFPTFE (PTFE umplut cu sticlă).

Atât finisajul suprafeței, cât și planeitatea sunt esențiale pentru suprafețele de etanșare rotative. Finisajul suprafeței, care descrie rugozitatea, se măsoară în termeni de „rms” (medie pătratică) sau CLA (media liniei centrale). Planeitatea, pe de altă parte, descrie o suprafață plană, fără elevații sau depresiuni. Inginerii se referă adesea la planeitate ca ondulație în etanșările mecanice. De obicei, aceștia măsoară planeitatea folosind o sursă de lumină plană optică și o sursă de lumină monocromatică, cum ar fi o sursă de lumină cu heliu. Această sursă de lumină produce benzi de lumină. Fiecare bandă de lumină cu heliu reprezintă 0,3 microni (0,0000116 inci) de abatere de la planeitate. Numărul de benzi de lumină observate indică gradul de planeitate, mai puține benzi semnificând o planeitate mai mare.

Necesită o planeitate de ordinul a milionimi de inch pe inch pătrat pentru a sigila.

Pentru majoritatea aplicațiilor care implică fețe de etanșare rotative, o rugozitate ideală a suprafeței este de obicei între 1 și 3 microinci (0,025 și 0,076 micrometri). Toleranța de planeitate este, de asemenea, foarte strânsă, necesitând adesea o precizie de câteva milionimi de inch. Chiar și deformări sau neuniformități minore pot duce la scurgeri. Tabelul de mai jos prezintă cerințele tipice de planeitate și finisaj al suprafeței:

Fața de etanșare staționară

Fața de etanșare staționară rămâne fixată pe carcasa pompei. Aceasta asigură cealaltă jumătate a interfeței de etanșare primare. Această componentă nu se rotește. Materialele sale trebuie să posede o duritate ridicată și o rezistență la uzură pentru a rezista contactului constant cu fața rotativă.

Suprafețele de etanșare din carbon sunt utilizate pe scară largă și pot fi aliate pentru o rezistență variată la frecare. În general, sunt inerte chimic. Carbura de tungsten oferă o rezistență chimică, tribologică și termică superioară în comparație cu carbonul. Carbura de siliciu își menține rezistența la temperaturi ridicate, are o rezistență excelentă la coroziune și o expansiune termică redusă. Acest lucru o face potrivită pentru aplicații abrazive, corozive și de înaltă presiune. Oxidul de aluminiu, datorită durității sale, oferă caracteristici excelente de uzură.

Iată câteva materiale comune și proprietățile lor:

• Carbură de tungstenAcest material este foarte rezistent. Oferă o rezistență excepțională la particule și impact, deși are performanțe tribologice mai mici decât carbura de siliciu. Duritatea sa Mohs este 9.
• CarbonCel mai eficient atunci când este asociat cu un material mai dur, carbonul este atractiv din punct de vedere comercial. Cu toate acestea, este moale și fragil, ceea ce îl face nepotrivit pentru medii cu particule solide. Grafitul de carbon impregnat cu rășină fenolică triplă oferă performanțe mai mari la uzură pentru aplicații solicitante cu lubrifiere marginală sau substanțe chimice agresive.
• Ceramică de alumină (puritate 99,5%)Aceasta este o opțiune economică, cu o rezistență chimică și la uzură excepțională datorită durității ridicate. Duritatea sa Mohs este de 9-10. Cu toate acestea, este predispusă la fracturi prin șocuri fizice și termice. Acest lucru o face nepotrivită pentru medii cu particule solide, lubrifiere slabă sau schimbări bruște de temperatură.
• Carbură de siliciuAcest material este considerat cel mai eficient din punct de vedere tribologic atunci când este asociat cu carbonul. Este cel mai dur și mai rezistent la uzură material pentru fețele de etanșare, oferind o capacitate chimică excepțională. Pentru mediile de lubrifiere cu conținut ridicat de particule solide, se recomandă asocierea a două fețe de etanșare din carbură de siliciu. Duritatea sa Mohs este de 9-10.

Elemente de etanșare secundare

Elementele de etanșare secundare asigură etanșarea statică între componentele etanșării și carcasa sau arborele pompei. De asemenea, permit mișcarea axială a fețelor de etanșare. Aceste elemente asigură o etanșare strânsă chiar și atunci când fețele primare se mișcă ușor.

Diferite tipuri de elemente de etanșare secundare includ:

1. Inele OAcestea au o secțiune transversală circulară. Sunt ușor de instalat, versatile și cel mai comun tip. Inelele O sunt disponibile în diverse compuși elastomerici și durometre pentru diferite nevoi de compatibilitate chimică și temperatură.
2. Burdufuri elastomerice sau termoplasticeAcestea sunt utilizate acolo unde etanșările dinamice glisante nu sunt optime. Se deformează pentru a permite mișcarea fără alunecare și sunt disponibile din diverse materiale. Se cunosc și sub denumirea de „cizme”.
3. Pene (PTFE sau carbon/grafit)Numite astfel după forma secțiunii lor transversale, penele sunt utilizate atunci când inelele O nu sunt potrivite din cauza temperaturii sau a expunerii la substanțe chimice. Acestea necesită energizare externă, dar pot fi rentabile. Printre limitări se numără potențialul de „blocare” în cazul serviciilor murdare și frecare.
4. Burduf metalicAcestea sunt utilizate în aplicații la temperaturi ridicate, în vid sau igienice. Sunt formate dintr-o singură bucată de metal sau sudate. Acestea oferă atât etanșare secundară, cât și sarcină de arc pentru mișcarea axială.
5. Garnituri plateAcestea sunt utilizate pentru etanșări statice, cum ar fi etanșarea garniturii etanșării mecanice la flanșa de montare sau la alte interfețe statice din cadrul ansamblului. Nu au capacitatea de a se mișca și sunt etanșări de tip compresie, de obicei pentru o singură utilizare.
6. Cupe în U și inele în VNumite astfel după secțiunile lor transversale, acestea sunt fabricate din materiale elastomerice sau termoplastice. Sunt utilizate în aplicații la temperaturi joase și presiuni mai mari și acolo unde este necesară o compatibilitate chimică specifică.

Compatibilitatea materialelor pentru elementele de etanșare secundare este crucială. Fluidele agresive pot reacționa cu materialele de etanșare, descompunând structura lor moleculară. Acest lucru duce la slăbire, fragilitate sau înmuiere. Aceasta poate provoca subțierea, coroziunea sau dezintegrarea completă a componentelor etanșării, inclusiv a elementelor de etanșare secundare. Pentru fluidele extrem de corozive, cum ar fi acidul fluorhidric (HF), se recomandă perfluoroelastomerii ca element de etanșare secundar. Acest lucru se datorează necesității unor materiale rezistente chimic, care să poată rezista volatilității și presiunii unor astfel de substanțe chimice agresive. Incompatibilitatea chimică duce la degradarea și coroziunea materialelor în etanșările mecanice, inclusiv în elementele de etanșare secundare. Acest lucru poate provoca umflarea, contracția, fisurarea sau corodarea componentelor etanșării. Astfel de deteriorări compromit integritatea și proprietățile mecanice ale etanșării, rezultând scurgeri și o durată de viață mai scurtă. Temperaturile ridicate sau reacțiile exoterme cauzate de fluide incompatibile pot, de asemenea, deteriora materialele etanșării prin depășirea limitelor lor critice de temperatură. Acest lucru duce la pierderea rezistenței și integrității. Proprietățile chimice cheie care definesc compatibilitatea includ temperatura de funcționare a fluidului, nivelul pH-ului, presiunea sistemului și concentrația substanțelor chimice. Acești factori determină rezistența unui material la degradare.

Mecanisme cu arc

Mecanismele cu arc aplică o forță constantă și uniformă pentru a menține în contact suprafețele de etanșare rotative și fixe. Acest lucru asigură o etanșare strânsă chiar și atunci când suprafețele se uzează sau când presiunea fluctuează.

Diferite tipuri de mecanisme cu arc includ:

• Arc conicAcest arc are formă de con. Este adesea utilizat în nămol sau medii murdare datorită designului său deschis, care previne acumularea de particule. Oferă o presiune uniformă și o mișcare lină.
• Arc elicoidal simpluAcesta este un arc elicoidal simplu. Se utilizează în principal în etanșări de tip împingător pentru lichide curate, cum ar fi apa sau uleiul. Este ușor de asamblat, are un cost redus și oferă o forță de etanșare constantă.
• Izvorul valurilorAcest arc este plat și ondulat. Este ideal pentru etanșări compacte unde spațiul axial este limitat. Asigură o presiune egală în spații mici, reduce lungimea totală a etanșării și promovează un contact stabil al feței. Acest lucru duce la o frecare redusă și la o durată de viață mai lungă a etanșării.
• Arcuri elicoidale multipleAcestea constau din multe arcuri mici dispuse în jurul suprafeței de etanșare. Se găsesc de obicei înetanșări mecanice echilibrateși pompe de mare viteză. Acestea aplică o presiune uniformă din toate părțile, reduc uzura frontală și funcționează fără probleme la presiuni sau turații mari. Oferă fiabilitate chiar dacă un arc se defectează.

Există și alte forme de mecanisme cu arc, cum ar fi arcurile lamelare, burdufurile metalice și burdufurile elastomerice.

Ansamblul plăcii de glandă

Ansamblul plăcii de etanșare servește ca punct de montare pentru etanșarea mecanică la carcasa pompei. Aceasta menține suprafața de etanșare fixă ​​în poziție. Acest ansamblu asigură alinierea corectă a componentelor de etanșare din interiorul pompei.

Principiul de funcționare al etanșărilor mecanice

Crearea barierei de etanșare

Garnituri mecaniceprevin scurgerile de fluid prin stabilirea unei etanșări dinamice între un arbore rotativ și o carcasă staționară. Două fețe proiectate cu precizie, una care se rotește odată cu arborele și cealaltă fixată pe carcasa pompei, formează bariera principală de etanșare. Aceste fețe se presează una împotriva celeilalte, creând un spațiu foarte îngust. Pentru etanșările pe gaz, acest spațiu măsoară de obicei între 2 și 4 micrometri (µm). Această distanță se poate modifica în funcție de presiune, viteza de aplicare și tipul de gaz etanșat. În etanșările mecanice care funcționează cu fluide apoase, spațiul dintre fețele etanșării poate fi de până la 0,3 micrometri (µm). Această separare extrem de mică este crucială pentru o etanșare eficientă. Grosimea peliculei de fluid dintre fețele etanșării poate varia de la câțiva micrometri la câteva sute de micrometri, influențată de diverși factori operaționali. Un micrometru este o milionime de metru sau 0,001 mm.

Filmul hidrodinamic

Un strat subțire de fluid, cunoscut sub numele de peliculă hidrodinamică, se formează între fețele de etanșare rotative și staționare. Această peliculă este esențială pentru funcționarea și longevitatea etanșării. Acționează ca lubrifiant, reducând semnificativ frecarea și uzura dintre fețele de etanșare. Pelicula funcționează, de asemenea, ca o barieră, prevenind scurgerile de fluid. Această peliculă hidrodinamică realizează o susținere maximă a sarcinii hidrodinamice, ceea ce prelungește durata de viață mecanică a etanșării prin reducerea semnificativă a uzurii. Ondulațiile care variază circumferențial pe o față pot provoca lubrifiere hidrodinamică.

Pelicula hidrodinamică oferă o rigiditate mai mare a peliculei și are ca rezultat scurgeri mai mici în comparație cu multe modele hidrostatice. De asemenea, prezintă viteze de ridicare (sau centrifugare) mai mici. Canelurile pompează activ fluidul în interfață, construind presiune hidrodinamică. Această presiune susține sarcina și reduce contactul direct. Canelurile difuzorului pot obține o forță de deschidere mai mare pentru aceeași scurgere în comparație cu canelurile spiralate cu secțiune transversală plată.

Diferite regimuri de lubrifiere descriu comportamentul peliculei:

Vâscozitatea fluidului joacă un rol esențial în formarea și stabilitatea acestei pelicule. Un studiu asupra peliculelor lichide newtoniene, subțiri, vâscoase, a arătat că vâscozitatea impară introduce termeni noi în gradientul de presiune al curgerii. Acest lucru modifică semnificativ ecuația de evoluție neliniară pentru grosimea peliculei. Analiza liniară demonstrează că vâscozitatea impară exercită în mod constant un efect de stabilizare asupra câmpului de curgere. Mișcarea unei plăci verticale influențează, de asemenea, stabilitatea; mișcarea descendentă sporește stabilitatea, în timp ce mișcarea ascendentă o reduce. Soluțiile numerice ilustrează în continuare rolul vâscozității impare în curgerile peliculelor subțiri sub diferite mișcări ale plăcilor în medii izoterme, arătând clar influența sa asupra stabilității curgerii.

Forțe care influențează etanșările mecanice

Mai multe forțe acționează asupra fețelor de etanșare în timpul funcționării pompei, asigurându-se că acestea rămân în contact și mențin bariera de etanșare. Aceste forțe includ forța mecanică și forța hidraulică. Forța mecanică se aplică din partea arcurilor, burdufurilor sau a altor elemente mecanice. Aceasta menține contactul între fețele de etanșare. Forța hidraulică este generată de presiunea fluidului de proces. Această forță împinge fețele de etanșare împreună, sporind efectul de etanșare. Combinația acestor forțe creează un sistem echilibrat care permite etanșării să funcționeze eficient.

Lubrifiere și gestionare a căldurii pentru etanșări mecanice

Lubrifiere adecvatăși gestionarea eficientă a căldurii sunt vitale pentru funcționarea fiabilă și longevitatea etanșărilor mecanice. Pelicula hidrodinamică asigură lubrifiere, reducând la minimum frecarea și uzura. Cu toate acestea, frecarea generează în continuare căldură la interfața de etanșare. Pentru etanșările industriale, debitele tipice ale fluxului de căldură variază între 10-100 kW/m². Pentru aplicații de înaltă performanță, debitele fluxului de căldură pot ajunge până la 1000 kW/m².

Generarea de căldură prin frecare este sursa principală. Aceasta are loc la interfața de etanșare. Rata de generare a căldurii (Q) se calculează ca μ × N × V × A (unde μ este coeficientul de frecare, N este forța normală, V este viteza, iar A este aria de contact). Căldura generată se distribuie între fețele rotative și staționare în funcție de proprietățile lor termice. Încălzirea prin forfecare vâscoasă generează, de asemenea, căldură. Acest mecanism implică tensiunea de forfecare în peliculele subțiri de fluid. Se calculează ca Q = τ × γ × V (tensiune de forfecare × rată de forfecare × volum) și devine deosebit de semnificativă în fluidele cu vâscozitate ridicată sau în aplicațiile de mare viteză.

Rapoartele de echilibrare optimizate sunt o considerație crucială de proiectare pentru a minimiza generarea de căldură pe măsură ce viteza arborelui crește. Un studiu experimental asupra etanșărilor mecanice frontale a demonstrat că o combinație dintre raportul de echilibrare și presiunea aburului influențează semnificativ ratele de uzură și pierderile prin frecare. Mai exact, în condițiile unui raport de echilibrare mai mare, cuplul de frecare dintre fețele de etanșare a fost direct proporțional cu presiunea aburului. Studiul a constatat, de asemenea, că o reducere substanțială a cuplurilor de frecare și a ratelor de uzură poate fi obținută cu rapoarte de echilibrare scăzute.

Tipuri și selecție de etanșări mecanice

Tipuri comune de etanșări mecanice

Garniturile mecanice sunt disponibile în diverse modele, fiecare potrivită pentru aplicații specifice.Garnituri de împingereutilizează inele O din elastomer care se mișcă de-a lungul arborelui pentru a menține contactul. În schimb,sigilii fără împingereutilizează burdufuri elastomerice sau metalice, care se deformează în loc să se miște. Acest design face ca etanșările fără împingere să fie ideale pentru fluide abrazive sau fierbinți, precum și pentru medii corozive sau cu temperaturi ridicate, prezentând adesea rate de uzură mai mici.

O altă distincție constă întregarnituri de cartușşietanșări ale componentelorO etanșare mecanică tip cartuș este o unitate preasamblată, care conține toate componentele etanșării într-o singură carcasă. Acest design simplifică instalarea și reduce riscul de erori. Etanșările componente, însă, constau din elemente individuale asamblate pe teren, ceea ce poate duce la o instalare mai complexă și la un risc mai mare de erori. Deși etanșările tip cartuș au un cost inițial mai mare, acestea duc adesea la o întreținere mai redusă și la un timp de nefuncționare redus.

Etanșările se clasifică și în echilibrate sau neechilibrate. Etanșările mecanice echilibrate gestionează diferențe de presiune mai mari și mențin poziții stabile ale feței de etanșare, ceea ce le face potrivite pentru aplicații critice și echipamente de mare viteză. Acestea oferă o eficiență energetică îmbunătățită și o durată de viață prelungită a echipamentelor. Etanșările neechilibrate au un design mai simplu și sunt mai accesibile ca preț. Sunt o alegere practică pentru aplicații mai puțin solicitante, cum ar fi pompele de apă și sistemele HVAC, unde fiabilitatea este importantă, dar presiunile ridicate nu reprezintă o problemă.

Factori pentru selectarea etanșărilor mecanice

Alegerea etanșării mecanice corecte necesită o analiză atentă a mai multor factori cheie.aplicațieÎnsăși dictează multe opțiuni, inclusiv configurarea echipamentului și procedurile de operare. De exemplu, pompele de proces ANSI cu funcționare continuă diferă semnificativ de pompele de bazin cu funcționare intermitentă, chiar și cu același lichid.

Mediase referă la fluidul în contact cu etanșarea. Inginerii trebuie să evalueze critic constituenții și natura fluidului. Ei întreabă dacă fluxul pompat conține solide sau contaminanți corozivi precum H2S sau cloruri. De asemenea, ei iau în considerare concentrația produsului dacă este o soluție și dacă se solidifică în orice condiții întâlnite. Pentru produsele periculoase sau cele care nu dispun de o lubrifiere adecvată, sunt adesea necesare spălări externe sau etanșări sub dublă presiune.

Presiuneşivitezăsunt doi parametri fundamentali de funcționare. Presiunea din camera de etanșare nu trebuie să depășească limita de presiune statică a etanșării. De asemenea, aceasta influențează limita dinamică (PV) în funcție de materialele etanșării și de proprietățile fluidului. Viteza are un impact semnificativ asupra performanței etanșării, în special la temperaturi extreme. Vitezele mari duc la forțe centrifuge asupra arcurilor, favorizând designul arcurilor staționare.

Caracteristicile fluidelor, temperatura de funcționare și presiunea influențează direct alegerea etanșărilor. Fluidele abrazive provoacă uzură pe fețele etanșărilor, în timp ce fluidele corozive deteriorează materialele etanșărilor. Temperaturile ridicate determină dilatarea materialelor, putând duce la scurgeri. Temperaturile scăzute fac materialele fragile. Presiunile ridicate pun solicitări suplimentare pe fețele etanșărilor, necesitând un design robust al etanșărilor.

Aplicații ale etanșărilor mecanice

Garniturile mecanice sunt utilizate pe scară largă în diverse industrii datorită rolului lor esențial în prevenirea scurgerilor și asigurarea eficienței operaționale.

In extracția de petrol și gazeGarniturile sunt vitale în pompele care funcționează în condiții extreme. Acestea previn scurgerile de hidrocarburi, asigurând siguranța și respectarea normelor de mediu. Garniturile specializate din pompele submarine rezistă la presiune ridicată și la apa de mare corozivă, reducând riscurile pentru mediu și timpii de nefuncționare.

Prelucrarea și depozitarea substanțelor chimicese bazează pe etanșări pentru a preveni scurgerile de substanțe agresive și corozive. Aceste scurgeri ar putea cauza pericole de siguranță sau pierderi de produs. Etanșările avansate, fabricate din materiale rezistente la coroziune, cum ar fi ceramica sau carbonul, sunt comune în reactoare și rezervoare de stocare. Acestea prelungesc durata de viață a echipamentelor și mențin puritatea produsului.

Tratarea apei și a apelor uzateInstalațiile folosesc etanșări în pompe și mixere pentru a reține apa și substanțele chimice. Aceste etanșări sunt proiectate pentru funcționare continuă și rezistență la bioincrustare. În instalațiile de desalinizare, etanșările trebuie să reziste la presiuni ridicate și condiții saline, prioritizând durabilitatea pentru fiabilitatea operațională și conformitatea cu reglementările de mediu.

Suspensiile abrazive și fluidele corozive prezintă provocări specifice. Particulele abrazive accelerează uzura suprafețelor de etanșare. Reactivitatea chimică a anumitor fluide degradează materialele de etanșare. Soluțiile includ elastomeri avansați și termoplastice cu rezistență chimică superioară. De asemenea, acestea includ caracteristici de protecție, cum ar fi sisteme de fluide de barieră sau controale de mediu.

Etanșările mecanice previn scurgerile prin formarea unei bariere dinamice între fețele rotative și cele staționare. Acestea oferă economii semnificative la costurile de întreținere și prelungesc durata de viață a echipamentelor. Selecția și întreținerea corectă asigură longevitatea lor, care depășește adesea trei ani, asigurând o funcționare fiabilă a pompei.

FAQ

Care este funcția principală a unei etanșări mecanice?

Garnituri mecaniceprevin scurgerile de fluid în jurul arborelui rotativ al pompei. Acestea creează o barieră dinamică, asigurând funcționarea eficientă și sigură a pompei.

Care sunt principalele părți ale unei etanșări mecanice?

Părțile principale includ fețe de etanșare rotative și staționare, elemente de etanșare secundare,mecanisme cu arcși ansamblul plăcii de etanșare. Fiecare componentă îndeplinește o sarcină crucială.

De ce este importantă pelicula hidrodinamică în etanșările mecanice?

Pelicula hidrodinamică lubrifiază suprafețele etanșării, ceea ce reduce frecarea și uzura. De asemenea, acționează ca o barieră, prevenind scurgerile de fluid și prelungind durata de viață a etanșării.