Механическое уплотнение насоса — пары трения и эластомеры

Механическое уплотнение вала: как устроен узел и что он держит

Механическое уплотнение — это два притёртых кольца, прижатых торцами друг к другу: одно вращается вместе с валом, второе неподвижно сидит в корпусе. Вал выходит из мокрой части наружу, и через это отверстие жидкость пошла бы к подшипникам и обмотке — узел существует, чтобы этого не случилось.

Герметичность даёт не сила прижатия, а тончайшая плёнка самой перекачиваемой жидкости между торцами: зазор измеряется долями микрона, и в нём жидкость одновременно смазывает поверхности и отводит тепло трения. Отсюда главный принцип эксплуатации — уплотнение должно быть мокрым всегда, сухое трение разрушает его за минуты.

Кроме пары трения в узле есть вторичные уплотнения — резиновые кольца между валом и кольцами пары, — пружина и обойма из нержавеющей стали. В справочнике характеристик нашего каталога этот узел назван самым частым местом отказа насоса. Размеры и коды материалов торцевых уплотнений стандартизованы нормой EN 12756, поэтому комплект одного типоразмера меняется без переделки крышки.

Пара трения: графит, карбид кремния и карбид вольфрама

Пара трения — сочетание материалов двух колец, и оно определяет, что уплотнение переживёт. В сериях FANCY их четыре.

Графит (в документах завода — Carbon, «карбон») мягкий и самосмазывающийся: прощает кратковременный дефицит смазки, но абразив вминается в его поверхность и превращает кольцо в шлифовальный круг для партнёра по паре. Карбид кремния (SiC) — твёрдая керамика, стойкая к абразиву и химии; песком почти не изнашивается, но хрупок, и термоудар при сухом ходе раскалывает кольцо. Карбид вольфрама (WC) — твёрдый сплав, прочнее керамики на удар. Техническая керамика — недорогое решение для чистой воды в малых насосах.

Правило простое: мягкое по твёрдому даёт низкое трение и терпимость к нарушениям смазки, твёрдое по твёрдому — стойкость к абразиву, потому что частице не во что внедряться.

SiC/SiC и графит по карбиду кремния: чем различаются пары в каталоге FANCY

Разделение по средам видно прямо в составе серий: по снапшоту каталога fancy-pro.ru из 40 серий строка уплотнения заполнена у 33, и десять погружных серий на 541 модель получают одну пару — карбид кремния по карбиду кремния с деталями из нержавеющей стали AISI 304. Считалось так: серии сгруппированы по полю материала уплотнения в прайсе завода, число моделей — сумма их позиций в каталоге.

Пара SiC/SiC стоит в фекальных WQ, нержавеющих WQS, режущих WQV и WQAS, вихревых WQK, WQH с измельчителем, WQC с рубашкой охлаждения, шламовых KBD и KBS и в серии L большого потока — все они рассчитаны на жидкость с твёрдыми включениями. Шламовые KBD 21.5 и 200KBS422 работают с песком и илом, где графитовое кольцо сточилось бы за недели.

Графит по карбиду кремния завод ставит в шести сериях чистой воды на 221 модель: CM, CHL, CHLF, MHI, линейные FTD и одноступенчатые MS — абразива здесь нет, зато есть высокая температура. Вертикальные CDM и CDL — 637 моделей с парой графит по карбиду вольфрама, и в деталировке этих серий из карбида вольфрама выполнен ещё и подшипник скольжения.

Обратный порядок записи — карбид кремния по графиту — у четырёх серий на 135 моделей: CHLFT, нержавеющей FZ, FWO с открытым колесом и FDX. Пара карбид вольфрама по карбиду вольфрама одна — самовсасывающая FSP, от SP-2 до SP-10: эти насосы стоят выше уровня жидкости и в каждом пуске проходят стадию неполного заполнения, где твёрдый сплав страхует от удара.

Источник таблицы — поле материала уплотнения в снапшоте серий.

Эластомер уплотнения: что делают Viton и NBR

Эластомер — вторичное уплотнение узла: резиновые кольца между валом и кольцами пары. Пара трения держит подвижный стык, эластомер — все остальные, и именно он задаёт два предела: по температуре среды и по её химическому составу. NBR (бутадиен-нитрильный каучук) стоек к нефтепродуктам и маслам, недорог, держит умеренные температуры. FKM, известный по наименованию Viton, дороже, но переносит более высокую температуру и намного шире по химической стойкости.

Viton назван в строке уплотнения у двенадцати серий на 976 моделей: CDM, CDL, CM, CHL, CHLF, MHI, FZ, FTD, FWO, FDX, 2FDX и MS. NBR указан у семи серий на 421 модель: FV, FVL, FVC, FST, FST4, FSM и FSM4. Подсчёт тот же — по упоминанию эластомера в поле материалов.

Совпадение с температурными пределами точное — это лучшее доказательство роли эластомера. В справочнике серий предел 120 °C стоит у семи серий каталога — CDM, CDL, CHL, CHLF, CM, MHI и MS, — и у всех семи в уплотнении назван Viton; предел 104 °C стоит у FDX, 2FDX и FWO, там же Viton. К строке уплотнения серий с парой графит по карбиду кремния завод добавляет примечание: исполнение пригодно для этиленгликоля и пропиленгликоля до 50 процентов и температуры до 120 °C — для систем отопления, тепловых пунктов и горячего водоснабжения это решающий пункт спецификации.

Важна тонкость чтения заводской записи: состав записан тремя позициями через дробь, но третья означает разное. У погружных серий это «SiC/SiC/SS304», где третьим стоит металл обоймы и пружины, а эластомер не назван вовсе; у CDM и CDL — «графит — карбид вольфрама — витон», где третьим стоит эластомер. Переносить «третьим идёт Viton» с серии на серию нельзя.

Двойное уплотнение с масляной камерой в погружных насосах

Погружной насос работает целиком под водой, и одиночное уплотнение для него — недопустимый риск: течь идёт прямо в обмотку. Поэтому на валу ставят два уплотнения последовательно, а пространство между ними заполняют маслом. Нижнее принимает на себя абразив, верхнее работает в чистом масле и остаётся резервом, а масло отводит тепло от обоих узлов и не даёт им работать всухую при оголении корпуса.

В данных каталога конструкция подтверждается прямо: у серии WQ указано двойное механическое уплотнение SiC/SiC и двигатель IP68. В деталировке WQAS отдельными позициями идут масляный цилиндр, его крышка, механическое уплотнение и усиленный уплотнитель, а уплотнительное кольцо выполнено из NBR. У WQH с измельчителем тоже есть масляный цилиндр, а уплотнение названо карбидом кремния; в шламовой KBS есть и механическое уплотнение, и позиция «уплотнение масляной камеры».

Масляная камера даёт ещё и раннюю диагностику: течь нижнего уплотнения сначала проявляется как вода в масле, а насос продолжает работать — обмотка защищена вторым уплотнением. В серии KBS завод предлагает датчик влаги в масляной камере опцией от 22 кВт, тепловая защита обмотки заявлена для 15–37 кВт, защита двигателя — для 4–11 кВт.

Отсюда практика обслуживания на канализационных станциях и очистных сооружениях: первым делом сливают и осматривают масло, и молочно-серая эмульсия — заявка на плановую замену нижнего уплотнения. Весь ряд собран в разделе погружных насосов, исполнения с агитатором — в разделе шламовых.

Отчего уплотнение течёт: сухой ход, абразив и температура

Механическое уплотнение почти никогда не отказывает «от старости»: у течи есть причина, и она повторится с новым комплектом. Потекло дважды подряд — проверяют режим, уровень в приямке и соосность, а не качество детали.

Сухой ход. Плёнка между торцами исчезает, температура в стыке подскакивает за секунды: графитовое кольцо обугливается, керамическое трескается, эластомер спекается. Защита может не сработать — ток холостого хода ниже номинала. Поэтому уровень в приямке контролируют поплавком или датчиком, а не регламентом обхода.

Абразив. Песок и мелкая взвесь попадают в зазор и работают как притирочная паста; мягкий графит сдаётся первым. Поэтому для карьеров, шахт и обогатительных фабрик пара берётся твёрдой с обеих сторон — это серии с SiC/SiC, включая KBD и KBS с колесом и агитатором из хромистого сплава.

Температура и химия среды. Превышение предела бьёт по эластомеру раньше, чем по кольцам: NBR теряет эластичность, и появляется капель по валу. Поэтому для химических производств, пищевых линий и морской воды исполнение согласуют отдельно.

Четвёртая причина живёт не в уплотнении: кавитация и работа далеко от расчётной точки разбивают пары трения пульсациями и вибрацией — механизм разобран в материалах «Кавитация и NPSH», «Рабочая точка» и «Высота всасывания».

Ресурс пары трения: от чего он зависит и что видно заранее

Ресурс механического уплотнения — не число из паспорта, а результат условий работы: в заводских документах FANCY он не заявлен ни для одной серии каталога. Определяют его четыре величины: чистота среды, стабильность смазки, температура среды и стыка, режим работы — расчётная точка против перегруза с вибрацией и частыми пусками.

Износ заметен до отказа: сначала редкая капель по валу после остановки, затем подтекание под нагрузкой, у погружных насосов — помутнение масла в камере. Твёрдые пары ведут себя иначе: SiC/SiC служит дольше на абразиве, но отказывает резче, потому что скол керамики даёт течь сразу. Вывод простой: плановая замена дешевле внеплановой, а для водоканалов, ЖКХ и производственных линий комплект держат в запасе вместе с насосом.

Что по уплотнению указано в данных FANCY, а что нужно запрашивать

Перенос характеристики с соседней серии — прямой путь к неверной спецификации, поэтому ниже сказано, где данные завода однозначны. Состав пары указан в снапшоте у 33 серий из 40: он читается у погружных и консольных насосов, у серий чистой воды, у FV, FVL, FVC, FST, FSM, FSM4 с парой Carbon-SiC и NBR и у вихревой QB с парой керамика по графиту.

Где состав уплотнения назвать нельзя:

• FSC — 644 модели насосов двустороннего входа. В прайсе указан изготовитель уплотнения Eagleburgmann и подшипники SKF, но состав пары строкой не задан, а в деталировке читается неоднозначно. Для насосов такого класса, вплоть до FSC800-770/8 на 9000 м³/ч, исполнение согласуют под конкретную среду.
• FB, FBA, FBS, FBB, FBG, FBT — шесть циркуляционных серий, 76 моделей. Строки уплотнения в прайсе нет вовсе: названы керамический вал и керамические подшипники. Это признак конструкции, где ротор работает в перекачиваемой жидкости и торцевое уплотнение не требуется, но прямого подтверждения в заводских данных нет — утверждать можно только материал вала и подшипников.
• 2FDX — 11 моделей. В снапшоте значения полей уплотнения и температуры стоят на местах друг друга, поэтому состав пары приводить нельзя без сверки с даташитом, хотя предел 104 °C подтверждён.
• Эластомер погружных серий. В строке «SiC/SiC/SS304» он не назван: третьей позицией идёт нержавеющая сталь. Прямое указание есть только в деталировке WQAS — уплотнительное кольцо из NBR.
• Серия MS. В прайсе третьей позицией стоит Viton, в деталировке — нержавеющая сталь AISI 304; расхождение документов само по себе повод запросить спецификацию.

Такие пробелы закрываются запросом на завод через поставщика: инженеры ООО «МВК-СПБ» уточняют спецификацию уплотнения по типоразмеру, если среда выходит за рамки чистой воды.

Как выбрать исполнение уплотнения под среду

Порядок выбора опирается на среду, а не на привычку брать стандартное исполнение.

1. Опишите среду честно. Не «вода», а вода со взвесью, конденсат 95 °C или раствор гликоля 40 процентов.
2. Выберите пару трения. Есть взвесь — твёрдая пара SiC/SiC, как у погружных и шламовых серий; чистая и горячая среда — графит по карбиду кремния; самовсасывание — карбид вольфрама, как в FSP.
3. Выберите эластомер. На нефтепродуктах и умеренных температурах достаточно NBR, на горячей воде и гликоле нужен Viton — он стоит во всех сериях каталога с пределом 120 °C.
4. Проверьте режим. Уплотнение не спасёт насос, работающий далеко от расчётной точки: сначала рабочая точка, потом материалы.
5. Запросите спецификацию, если серия из списка неоднозначных: по FSC, 2FDX и циркуляционным сериям состав уточняется у завода.

Подобрать исполнение быстрее вместе с инженером: он сверит состав уплотнения со спецификацией серии, проверит температурный предел и рабочую точку и отдаст решение со сроком поставки. Каталог открывается со страниц погружных, промышленных, циркуляционных и коммерческих насосов, смежные материалы — в разделе Информация.