Пакер гидравлический ПГЯ-203-245

1 Литературный обзор и патентная  проработка

 

1. Литературный обзор

 

В настоящее время торцовые уплотнения, широко применяемые в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности, являются контактными  и имеют следующие недостатки: существование утечки уплотняемой среды и загрязнения окружающей среды, короткий срок службы из-за изнашивания пары трения, низкая стабильность при изменение режима работы, большой расход энергии на трение и обслуживание уплотнения, сложная вспомогательная система, особенно для двойных жидкосмазочных контактных торцовых уплотнений, что не удовлетворяет повышенным требованиям современного производства к герметичности, надежности и экономичности уплотнения.

Торцовые  уплотнения, появившиеся в 1885 году, непрерывно развиваются и получают распространённое внедрение с быстрым и постоянным ускорением развития современной промышленности, особенно в промышленности нефтяной, нефтехимической, автомобильной, машиностроительной, атомной, авиа космической и других, и показывают огромные технические и экономические преимущества по сравнению с другими. Торцовые уплотнения не только используются в различных роторных насосах, но и в центробежных и осевых компрессорах, газовых и паровых турбинах, высокооборотных турбодетандерах, а также аппаратах с перемешивающими устройствами при низкой скорости.

До сих  пор традиционные контактные торцовые уплотнения являются обширнейшей конструкцией в промышленном применении. Одинарные торцовые уплотнения представляют популярнейший тип конструкции, а двойные торцовые уплотнения занимают второе место в различных областях практического внедрения.

 

 

 

2. Патентная проработка
1. Одинарные контактные торцовые уплотнения

 

Одинарные контактные торцовые уплотнения имеют ряд преимуществ: простая конструкция, удобные монтаж и обслуживание, низкие расходы в течение работы, и отсутствие сложной вспомогательной системы, что способствует

 

Рисунок 1.1- Конструкция одинарного торцового уплотнения

  1- вал; 2- упорная втулка; 3-пружины; 4- резиновое вторичное  уплотнение;

  5- вращающееся кольцо; 6- камера уплотнения; 7- неподвижное  кольцо;

  8- резиновое вторичное  уплотнение; 9- крышка.

 

широкому  их применению в центробежных насосах, верховых насосах, шестерёнчатых насосах и других типах роторных насосов. Одинарные контактные торцовые уплотнения (рисунок 1.1) пригодны для герметизации насосов при перекачке чистых или малоопасных жидкостей (воды, масел и т. д.). Работают при относительно низких давлениях, скорости и температуре, и допускают утечку уплотняемых сред.

При сложных условиях работы одинарные торцовые уплотнения не эффективны. На нефтеперерабатывающих заводах многие насосы перекачивают легкие углеводородные жидкости, которые легко переходят в парообразное состояние в стыке торцовых поверхностей, из-за повышения температуры от выделения тепла в паре трения. В связи с этим, торцовые уплотнения работают в нестабильном парожидкостном двухфазном состоянии, и досрочно выходят из строя. В случае герметизации легко опасных высоко эрозионных сред, сред с высокой концентрацией твердых частиц или при высоких давлениях и скорости одинарные торцовые уплотнения плохо функционируют и их срок службы короток. Поэтому в таких случаях одинарные торцовые уплотнения не рекомендуются к использованию.

 

1.2.2 Двойные контактные торцовые  уплотнения

 

Наряду с  одинарными торцовыми уплотнениями используются более сложные уплотнительные узлы двойные контактные торцовые уплотнения, составляющие из двух одинарных контактных торцовых уплотнений  ( рисунок 1.2).

Для отделения  перекачиваемой среды от атмосферы необходимо использовать двойные торцовые уплотнения с подачей между ними затворной жидкости под давлением немного большим, чем давление перекачиваемой среды, что предотвращает утечки перекачиваемой среды в атмосферу. Двойные торцовые уплотнения применяются для:

а) газообразных сред и жидкостей с плохой смазывающей  способностью;

б) жидкостей  с высокой температурой или низкой температурой;

в) жидкостей  под высоким давлением;

г)  жидкостей, содержащих твердые частицы или  включения;

д) жидкостей, легко кристаллизующихся в зоне пары трения при испарении жидкой фазы;

е) жидкостей, являющихся вредными веществами и оказывающих токсичное  воздействие на организм человека;

ж) жидкостей, являющихся легковоспламеняющимися, высоко абразивными или горючими;

з) жидкостей под вакуумом;

и) жидкостей  при высокой скорости;

к) жидкостей  с высоко эрозионной особенностью.

Успешная  работа двойных торцовых уплотнений может быть обеспечена при соблюдении следующих условий:

а) камера двойного торцового уплотнения должна быть постоянно заполнена чистой затворной жидкостью (buffer fluid);

б) во время  работы давление затворной жидкости в камере уплотнения должно быть не менее чем на 0,1МПа выше максимального давления рабочей жидкости;

в) во избежание  перегрева торцовых уплотнений должна быть обеспечена циркуляция затворной жидкости через камеру уплотнения;

г) затворные  жидкости должны иметь следующие  свойства: хорошие смазочные способности, высокую теплопроводность, стабильный состав при рабочей температуре, минимальную химическую активность к материалам деталей торцового уплотнения, хорошую совместимость с рабочей жидкостью, низкую стоимость и не должны быть токсичными.

Выше указанные  условия обеспечиваются системой затворной  среды и  выполняют следующие  функции: создание и обеспечение определённого давления в камере уплотнения, охлаждение затворной жидкости до определённой температуры, обеспечение циркуляции затворной жидкости через камеру  уплотнения.

Система затворной  жидкости включает следующее: бачки  с затворной жидкостью, гидроаккумулятор, систему трубопроводов, охладитель, подпиточную ёмкость, насос с ручным приводом, фильтр, контрольные приборы (запорный вентиль, обратный клапан, предохранительный клапан, регулятор расхода, редукционный клапан и т. д.) и измерительные приборы (термометр, электроконтактный манометр, указатель уровня жидкости в бачке и т. д.). Эти приборы контролируют условия работы двойного торцового уплотнения и защищают торцовое уплотнение от работы в отсутствии жидкости.

Из этого следует, что  для обеспечения надёжности работы двойных торцовых уплотнений необходимо обеспечивать нормальную функцию системы затворной жидкости. Рабочее состояние контрольной системы затворной жидкости прямо влияет на стабильность и надёжность функционирования торцовых уплотнений, особенно двойных торцовых уплотнений в центробежных компрессорах с высокой скоростью вращения. На производстве имеют место остановки компрессоров при появлении неисправности торцовых уплотнений из-за дефекта системы затворной жидкости.

 

Рисунок 1.2- Конструкция двойных торцовых уплотнений

Поэтому в  процессе работы системы затворной  жидкости требуется большой расход энергии для обеспечения её нормального функционирования, что снижает экономичность двойных контактных торцовых уплотнений и по этому показателю не удовлетворяет современного требования промышленного производства к уплотнительному устройству.

 

 

1.2.3 Недостатки контактных торцовых  уплотнений

 

Применяемый механизм герметизации одинарных и  двойных контактных торцовых уплотнений обусловливает следующие недостатки:

а) в соответствии с механизмом контактных торцовых уплотнений при существовании перепада давления между уплотняемой средой и атмосферой (обычно давление уплотняемой среды выше, чем атмосферное давление) уменьшение утечки уплотняемой среды в атмосферу осуществляется только путём уменьшения осевого зазора между поверхностями. В связи с этим, работа контактных торцовых уплотнений без утечки уплотняемой среды нереальна. Непрерывное повышение требований к охране окружающей среды ограничит применение простых контактных торцовых уплотнений в современной промышленности;

б) для контактных торцовых уплотнений вследствие непосредственного контакта между торцовыми поверхностями срок службы торцовых уплотнений обязательно ограничен. Их ресурс, вследствие износа пары трения, не превышает одного года; для таких контактных торцовых уплотнений при герметизации сред с плохими смазочными свойствами или содержащих высоко абразивные твердые частицы, срок работы достигает лишь нескольких сотен часов или нескольких суток;

в) прямой контакт  между торцовыми поверхностями, несомненно, приведет к произведению твердых частиц из скользящих поверхностей, неизбежно загрязнит технологические продукты и снизит их качество, и значит их рыночную конкурентоспособность. В связи с этим, использование контактных торцовых уплотнений в пищевой, фармацевтической и некоторых других отраслях промышленности будет ограничено;

г) температура  в паре трения обязательно повышается от выделения теплоты трения, что изменяет в некоторой степени физические свойства технологических жидкостей (парообразование, коксование и т. д.) и тоже отрицательно влияет на качество продукции;

д) повышение  температуры торцовых поверхностей от теплоты трения в большой степени влияет на рабочее состояние пары трения. При работе уплотнений в кипящих жидкостях (горячей воде, легких углеводородах, аммиаке и других) часто наблюдаются хлопки и вибрация, в результате которых происходят периодические выбросы рабочей жидкости в виде парожидкостной смеси, возникают к не стационарности, которые также приводят к выходу их из строя;

е) быстрее  повышение температуры уплотнительных колец может ухудшить механические свойства уплотнительных материалов, вызвать фес кивание на поверхности твердого кольца и разрушение вторичных резинковых герметизаторов. Испытания и эксплуатация торцовых уплотнений показывают, что терморасткрескивание колец наблюдается довольно часто и уплотнение выходит из строя из-за недопустимо большой утечки жидкости вследствие разрушения колец пары трения;

ж) для улучшения работы торцовых уплотнений обычно применяется система охлаждения. На практике внедряют схемы с использованием перекачиваемой жидкости в качестве охлаждающей от нагнетательного патрубка насоса к стыку пары трения, что естественно снижает в некоторой степени КПД гидромашин и соответственно уменьшает эффективность производства технологического устройства. К тому же, применение воды в качестве охлаждающего агента потребует увеличить потребления и очистки уплотнения, в том числе, уплотнения под высоким давлением, уплотнения при су пер высокой или су пер низкой температуре, уплотнения при высокой скорости вращения, уплотнения с нулевой утечкой уплотняемых сред, уплотнения с высокой долговечностью.

С появлением в 60-ые годы теории о трибологии и  постепенным развитием и улучшением гидра смазочных теорией (включая теории гидростатической смазки, гидродинамической смазки и термогидродинамической смазки) получили развитие теоретического исследования и технической разработки торцовых уплотнений.

Типичным  достижением в области торцовых уплотнений являются термогидродинамические торцовые уплотнения (Thermo hydrodynamic Mechanical Face Seals), гидростатические торцовые уплотнения (Hydrostatic Mechanical Face Seals), и гидродинамические торцовые уплотнения (Hydrodynamic Mechanical Face Seals).

 

4. Термогидродинамические уплотнения

 

В термогидродинамических уплотнениях (рисунок 1.3) [3] путем нанесения  на уплотнительные поверхности канавок, карманов или ступеней (глубина которых более 1 миллиметра), создается неравномерность зазора в направлении скольжения, и возникают гидродинамические эффекты вследствие силовых, особенно температурных деформаций. Если нет вращения, поверхности пары трения плоские. При вращении в результате трения уплотнительные кольца неравномерно нагреваются. В результате неравномерного нагрева плоскость уплотнительных поверхностей нарушается, и образуются участки зазора с сужающимся профилем.

Термогидродинамические  уплотнения по сложности процесса работы, а также по величине зазора и утечке уплотняемых сред занимают промежуточное место между контактными и гидродинамическими уплотнениями [60-61].

 

5. Гидростатические уплотнения

 

В гидростатических уплотнениях (рисунок 1.4) жидкостная (или  газовая) смазка в стыке пары трения создается при последовательном прохождении жидкости (или газа) через два дросселя: входной и выходной. В процессе работы под действием внешних нагрузок уменьшается высота зазора, увеличивается сопротивление выходного дросселя а, следовательно, давление и сила в зазоре, предотвращающая дальнейшее сближение и контакт уплотнительных колец. В работе [4] показано, что обеспечивать в торцовом уплотнении зазор менее 5-10 мкм лишь за счет гидростатической разгрузки при используемых в настоящее время дросселях практически невозможно. Тем более, существенным недостатком многих конструкций гидростатических торцовых уплотнений является низкая жёсткость смазочной плёнки при возможных перекосах [145].

Рисунок 1.3- Конструкция  поверхности термогидродинамических уплотнений

Рисунок 1.4- Схемы  гидростатических уплотнений

 

1.2.6 Гидродинамические  уплотнения