Тема 1.4 Эксплуатация уплотнений насоса

Студент д о л ж е н:

з н а т ь: условия работы сальниковых и торцовых уплотнений, их возможные неисправности и способы их устранения;

у м е т ь: давать сравнительную характеристику уплотнений.

Условия работы уплотнений. Принцип работы уплотнений. Сравнительная технико-экономическая характеристика и оценка уплот­нений различных типов.

Возможные неисправности уплотнений (сальниковых, торцовых) и спо­собы их устранения.

Литература: [2], стр. 118 - 138; [6], стр. 120 - 137; [14], стр. 113 - 179.

Методические указания

Состояние уплотнений центробежных насосов определяет ресурс работы, надежность и уровень автоматизации насосных станций магистральных нефте - и нефтепродуктопроводов.

В центробежных насосах в качестве концевых уплотнений валов применяют контактные уплотнения сальникового и торцового типов.

Безконтактные уплотняющие устройства используют в магистральных центробежных насосах для разгрузки концевых уплотнений, а также для сокращения щелевых утечек (повышения объемного к.п.д. насоса) между нагнетательной и всасывающей камерами рабочих колес.

Работа контактных уплотнений характеризуется режимом трения основного его элемента – пары трения, смазка которого осуществляется перекачиваемой жидкостью. Перекачиваемые по трубопроводам нефти и нефтепродукты в полной мере не отвечают требованиям, предъявляемым к смазкам узлов трения. Так, нефти, обладающие сравнительно хорошей смазывающей способностью, содержат различные механические примеси в виде песка, мелких металлических частиц и различных твердых химических соединений. В нефти могут быть пластовая вода, сероорганические и хлороорганические соединения, растворенные в различных количествах, сопутствующие газы (азот, сероводород, углекислый газ) и др.

Товарная нефть, перекачиваемая по трубопроводам, согласно ГОСТ 9965 – 62 может содержать механических примесей 0,005% и солей 40мл/л. При промывке резервуаров и очистке трубопроводов содержание механических примесей в нефти доходит до 0,05% и выше.

Попадая в контакт уплотнения, механические частицы царапают рабочие поверхности, нарушают герметичность уплотнений. В сальниковых уплотнениях происходит интенсивный износ защитной втулки. В торцовом уплотнении интенсивному абразивному износу подвержена контактная пара трения, при этом кольца из твердых материалов (сталь) изнашиваются в такой же степени, что и кольца из мягких материалов (бронза, углеграфит, пластмасса). Часто наблюдается внедрение контактного кольца из мягкого материала в контактное кольцо из твердого материала. Это объясняется тем, что абразивные частицы вдавливаются в контактную поверхность кольца из более мягкого материала и изнашивают кольцо из твердого материала.

Под действием механических примесей интенсивно изнашиваются и уплотнительные резиновые элементы торцового уплотнения. В процессе работы уплотнения аксиально – подвижная втулка совершает колебательные (осевые) движения. Механические частицы, попадающие под резиновое уплотнительное кольцо втулки, истирают его. В месте контакта резинового уплотнительного кольца и корпуса уплотнения образуется выработка, что и приводит к нарушению герметичности уплотнения.

Пластовые воды, находящиеся в нефти, вызывают коррозию деталей уплотнения. Коррозионное влияние их зависит от концентрации водородных ионов и возрастает с увеличением количества растворимых в воде газов (кислорода, сероводорода, углекислого газа) и минеральных солей. Увеличение температуры в узле трения способствует интенсивности коррозии деталей уплотнения.

Минеральные соли содержатся как в воде, диспергированной в нефти, так и высокомолекулярных компонентах нефти (асфальтены, парафины и т.д.). Минеральные соли отлагаются на горячих поверхностях уплотнения, прилипают к этим поверхностям, образуя прочные корки и нарушая подвижность и герметичность уплотнения. Кристаллизация солей в зоне контакта уплотнений приводит к повреждению их рабочих поверхностей.

Кроме того, в перекачиваемой нефти находится мазеобразная или твердая масса темного цвета, известная под общим названием парафин. Эта масса состоит из смеси аморфных твердых углеводородов – собственно парафины, церезинов, асфальто – смолистых веществ и др. Температура плавления массы зависит от ее состава и может колебаться в широких пределах. Асфальтены и смолы придают твердость, пластичность и температурную стойкость массе.

При работе насоса возможно отложение парафина в камерах концевых уплотнений. При этом происходит снижение подвижности деталей уплотнения, уменьшается теплоотвод. Парафин и асфальто – смолистые вещества являются концентраторами механических примесей.

Перекачиваемые по трубопроводу нефтепродукты (бензин, керосин, дизельное топливо) также мало отвечают требованиям, предъявляемым к смазкам для узлов трения, так как обладают плохой смазывающей способностью. Это обусловлено низкой вязкостью (у бензина ν = 0,01см²/с, у дизельного топлива ν = 0,02 – 0,08 см²/с) и в большей степени высоким давлением насыщенных паров (для бензина 500 – 700 мм.рт.ст.)

В процессе работы уплотнения в указанных средах на контакте при повышенной температуре (80 – 90°С) происходят разрушение жидкостной пленки, сухой режим трения и потеря герметичности уплотнения.

Сочетание плохой смазывающей способности нефтепродуктов и механических примесей приводит к сокращению срока службы уплотнений.

Изменения давлений на насосных станциях, вызванные технологическими и аварийными ситуациями, оказывают существенное влияние на работу и герметичность концевых уплотнений. При резком повышении давления в камерах уплотнений может выбить сальниковую набивку даже при наличии системы разгрузки. У торцовых уплотнений возможны перекос, заклинивание аксиально – подвижной втулки и полное раскрытие контактной пары.

При эксплуатации трубопроводов предусматривается работа трех (четырех) последовательно соединенных основных и подпорного (для головных насосных станций) насосов. Это значит, на приеме основных насосов, например НМ 10 000 – 210 или 16НД 10×1, возможно давление 8, 26, 44 и 4,24, 44 кгс/см² соответственно. Чтобы снизить давление в камерах концевых уплотнений, предусмотрена система разгрузки, состоящая из промежуточных уплотнений (обычно щелевых), отделяющих камеры уплотнений от всасывающей полости насоса

И трубопроводов системы разгрузки. От схемы обвязки этих трубопроводов зависят режимы работы концевых уплотнений и объемные потери перекачиваемой жидкости через щелевые уплотнения.

Для головных и промежуточных перекачивающих станций, работающих с подпорными насосами, разгрузка осуществляется по схеме, показанной на рис.11. Камеры уплотнений основных насосов соединяются с общим коллектором разгрузки 1, из которого жидкость может поступать либо во всасывающий трубопровод подпорных насосов через задвижку 2, либо во всасывающий трубопровод основных насосов через обратный клапан 3.

При работе на станции одного основного агрегата задвижка 2 открыта, и линия разгрузки сообщается со всасывающей линией подпорных насосов. В этом случае давление в линии разгрузки составляет 1-2 кгс/см², т.е. меньше давления в линии всасывания основных насосов, и клапан 3 закрыт. Такая схема разгрузки объясняется необходимостью создания циркуляции нефти в камерах уплотнений при работе одного основного агрегата. В противном случае давление в полости всасывания насоса и камерах уплотнений будут практически равным, что приведет из-за отсутствия циркуляции нефти к чрезмерному нагреву концевых уплотнений. Указанную схему разгрузки применяют при пуске второго и третьего основных насосов, а также при неустановившемся режиме перекачки. При этом перепады давлений на промежуточных уплотнениях для последовательно работающих насосов НМ 10 000 – 210 составляют 6, 24, 42 кгс/см².

Рисунок 11 - Схема обвязки насосов головной станции

Во время работы двух или трех последовательно соединенных основных насосов задвижку 2 закрывают. В этом случае давление в линии разгрузки будет превышать давление во всасывающей линии основных агрегатов примерно на 2 кгс/см² и обратный клапан 3 откроется.

Перепады давления на промежуточных уплотнениях насосов НМ 10 000-210 при установившемся режиме перекачки составляют 2, 16, 34 кгс/см², и переток нефти осуществляется по замкнутому кругу: камера уплотнений – всасывающий трубопровод основных насосов – камера уплотнений.

Для промежуточных станций, работающих в режиме из насоса в насос, предусматривается схема разгрузки, показанная на рис. 12. При работе на перекачивающей станции одного насосного агрегата, а также при пуске второго и третьего насосов и неустановившемся режиме перекачки линия разгрузки 1 соединяется через задвижку 2 с емкостью для сбора утечек 4.

Откуда нефть периодически закачивается обратно в трубопровод специальными насосами В₁ и В₂. Режим работы уплотнений в этом случае аналогичен режиму, при котором на головной насосной станции работает один насос.

Рисунок 12 - Схема обвязки насосов промежуточной станции

При работе двух или трех насосов в установившемся режиме перекачки задвижка 2 должна быть закрыта. Режим работы будет аналогичен режиму головной насосной станции при работе двух или более насосов. На практике часто применяют схемы, при которых линия разгрузки соединяется с трубопроводом наименьшего давления. Это объясняется тем, что на приеме станции колебания давлений достигают 25 кгс/см², резко ухудшающие работу концевых уплотнений и часто приводящие к полному нарушению герметичности.

Сальниковые уплотнения с мягкой набивкой по принципу действия относятся к контактным уплотнениям. Утечки уплотняемой жидкости уменьшаются с увеличением удельного нагружения контакта уплотняемых поверхностей

Уплотнение между валом и(или его защитной гильзой) и корпусом насоса в местах выхода вала достигается посредством поджатия мягкой набивки втулкой сальника. Чем больше прилагаемое усилие на втулку сальника, тем плотнее набивка прилегает к валу и тем выше удельное нагружение контакта. С увеличением удельного нагружения контакта увеличивается трение и соответственно выделение тепла. Чрезмерный нагрев уплотнения приводит к быстром износу мягкой набивки и защитной гильзы вала. Возникает необходимость периодически поджимать набивку или полностью её заменять.

Основные недостатки сальникового уплотнения:

неравномерность смазки по длине и, как следствие этого, неравномерный и повышенный износ защитных рубашек вала;

большая чувствительность к вибрации вала, что приводит к увеличению зазора между набивкой и рубашкой и соответственно к повышению утечек перекачиваемой жидкости;

большое влияние несоосности ротора и корпуса на работоспособность уплотнений;

ограничение частоты вращения из – за плохой смазки, неудовлетворительного отвода тепла с контактирующих поверхностей и отсутствия высокопрочных эластичных набивок, обладающих хорошими антифрикционными свойствами;

необходимость постоянно следить за работой набивки, что резко снижает эффект автоматизации перекачивающих станций.

Основное преимущество сальниковых уплотнений с мягкой набивкой – простота конструкции и возможность замены набивки без разборки насоса.

В процессе эксплуатации уплотнительных устройств с мягкой набивкой возможны следующие неисправности.

Уплотнение вскоре после пуска насоса начинает пропускать перекачиваемую жидкость, а набивка горит и обугливается. Причиной такой неисправности является применение набивки, не отвечающей свойствам перекачиваемой (уплотняемой) жидкости и режиму работы насоса. Необходимо остановить насос и заменить набивку новой, соответствующей условиям эксплуатации.

Уплотнение негерметично независимо от усилия поджатия. Значит, имеются задиры на защитной гильзе вала или она сильно изношена. Необходимо заменить гильзу.

Вибрация насоса приводит к тому, что уплотнение начинает пропускать жидкость через 70 – 80 часов работы. Вибрацию насоса следует устранить.

Биение защитной гильзы вала, значительно превышающее допустимое, вызывает течь вскоре после пуска насоса. Необходимо заменить защитную гильзу вала и проверить вал на биение.

Износ грундбуксы, промежуточного кольца или нажимной втулки. В данном случае утечки быстро возобновляются несмотря на поджатия. Необходимо остановить насос, разобрать узел уплотнения и реставрировать изношенные детали либо заменить их новыми.

Грундбукса проворачивается вместе с ротором. Уплотнение пропускает перекачиваемую жидкость после включения насоса. Необходимо остановить насос, разобрать уплотнительный узел, выявить неисправность и устранить её.

Нарушение подачи затворной или охлаждающей жидкости из-за неправильной установки промежуточного кольца. При этом нагревается линия отвода запирающей жидкости, резко возрастает пропуск жидкости уплотнением, набивка дымит. Необходимо насос остановить, набивку заменить, обращая особое внимание на правильность установки промежуточного кольца.

Прекращение подачи воды в водяную рубашку. Уплотнение быстро нагревается и подгорает, утечки увеличиваются. Остановить насос, найти и устранить причину нарушения циркуляции воды, возобновить её подачу в рубашку охлаждения.

Торцовые уплотнения предназначены для работы в неабразивных жидкостях. В процессе работы под действием гидростатического давления уплотняемой жидкости вращающаяся втулка плотно прилегает к не вращающейся и тем самым создает надежную герметизацию выхода вала из корпуса. При отсутствии давления в насосе пара трения удерживается в постоянном контакте пружинами, расположенными в гнездах вращающейся втулки. Герметичность всех соединений обеспечивается уплотнительными резиновыми кольцами круглого сечения.

Выбор конструктивных параметров и материалов для изготовления торцовых уплотнений определяют исходя из двух основных требований – минимум утечек и минимум износа пары трения. Последнее может иметь место при оптимальном режиме трения контактирующих поверхностей колец. Различают три основных режима трения: жидкостный, граничный и сухой.

Жидкостное трение характеризуется тем, что трущиеся поверхности разделены слоем смазывающей жидкости, находящейся под давлением. Давление жидкости уравновешивает внешнюю нагрузку, действующую на пару трения. При таком режиме трения сопротивление движению определяется внутренним трением (вязкостью) жидкости и складывается из сопротивления скольжения относительно друг друга слоёв смазки по толщине смазывающей пленки. Этот режим со свойственным ему весьма малым коэффициентом трения является оптимальным с точки зрения потерь энергии и возможно большей долговечности по износостойкости пары трения, так как жидкостное трение не зависит от природы трущихся поверхностей. Жидкостной режим трения в паре торцового уплотнения отмечается при допустимости утечек.

Величина утечки зависит от толщины жидкостной пленки. Поэтому следует добиваться предельного утонения пленки за счет приложения нагрузки к паре трения, при которой наступает переход к граничному трению. Характерным для такого режима является то, что смазывающее действие становится зависящим не только от вязкости смазки, но и от её физико – химических свойств, содержания в ней поверхностно активных молекул, способных адсорбироваться на трущихся поверхностях, образуя граничные пленки. Граничные пленки при трении, естественно, подвержены износу. Однако в торцовых уплотнениях существуют условия для самовосстановления граничных пленок благодаря поступлению смазки в зазор пары трения через полоти, всегда имеющиеся между двумя волнистыми шероховатыми поверхностями.

Граничный режим характеризуется весьма малыми потерями на трение и отсутствием утечек, следовательно, является желательным для уплотнения. Однако при неблагоприятных температурных условиях в зазоре происходит разрушение граничных пленок с появлением очагов сухого трения и повышенного износа. Режим граничного трения чувствителен к изменению нагрузок, температуры, скорости скольжения, поэтому режим трения в паре торцового уплотнения часто является смешанным – либо граничным с некоторым наличием сухого трения, либо граничным с переходом к жидкостному трению. Особенно неустойчив режим граничного трения в тех случаях, когда уплотняемые жидкости обладают плохими смазывающими свойствами. Тогда важную роль играет выбор материалов пар трения. Материалы пар трения, состояние уплотняющих поверхностей, конструктивные параметры торцового уплотнения всегда можно выбрать таким образом, чтобы обеспечить герметичность и долговечность торцового уплотнения.

Торцовые уплотнения по сравнению с сальниковыми обладают следующими преимуществами:

способны работать при сравнительно большой частоте вращения и высоких давлениях – до 40 кгс/см², а в некоторых случаях до 70 – 80 кгс/см²;

не требуют постоянного обслуживания – достаточно периодического наблюдения;

обладают высоким сроком службы, для хороших и правильно применяемых конструкций он составляет несколько тысяч и даже десятков тысяч часов;

капельная утечка перекачиваемой жидкости незначительна;

большая виброустойчивость и меньшая требовательность к соосности ротора и корпуса;

расход мощности на трение незначителен.

К недостаткам торцовых уплотнений следует отнести сложность конструкции, сравнительно высокую стоимость, необходимость частичной разборки насоса при их замене.

Таблица 3 - Возможные неисправности торцового уплотнения и способы их

устранения

Неисправности, их внешнее проявление	Возможные причины	Способ устранения
Повышенная утечка перекачиваемого продукта	Нарушен контакт трущихся пар трения из-за чрезмерного износа вследствие: а) работы уплотнения всухую б) попадание в перекачиваемую насосом жидкость взвешенных частиц величиной и числом более допустимого Перекос вращающейся или неподвижной втулок вслед	Проверить систему циркуляции жидкости и охлаждения Притереть рабочие поверхности втулок или заменить их новыми

Продолжение таблицы 3

Неисправности, их внешнее проявление	Возможные причины	Способ устранения
Уплотнение быстро нагревается Мгновенный пропуск жидкости	ствие: а) сильного набухания резиновых уплотнительных колец б) загрязнения поверхности корпуса перед уплотнительным резиновым кольцом солями или механическими примесями, что вызывает потерю его подвижности в осевом направлении в) повышенного биения ротора насоса Износ резиновых уплотнительных колец Поломка пружин Сильно сжаты пружины Выход из строя системы охлаждения и циркуляции Вследствие гидравлического удара произошло «закусывание» уплотнительного кольца	Заменить резиновые кольца Очистить поверхность корпуса перед резиновым уплотнительным кольцом Установить причины биения и устранить их Заменить кольца новыми Заменить новыми Отрегулировать поджатие пружин Обеспечить исправную работу указанных систем Заменить резиновое кольцо

Вопросы для самоконтроля

1. Принцип работы сальникового уплотнения

2. Принцип работы торцового уплотнения

3. Условия работы уплотнений

4. Преимущества и недостатки сальниковых уплотнений

5. Преимущества и недостатки торцовых уплотнений

6. Основные неисправности сальниковых уплотнений, причины их появления и способы устранения

7. Основные неисправности торцовых уплотнений, причины их появления и способы устранения