Взаимосвязь между осевой нагрузкой и повреждением уплотнений: технический анализ.

1. Введение: За пределами мифа о «качестве уплотнения»

В техническом обслуживании промышленных насосов утечки через торцевые уплотнения составляют большинство зарегистрированных отказов. При повторяющихся отказах уплотнений первая реакция операторов часто заключается в сомнениях относительно качества уплотнительного компонента или точности установки. Однако, если отказы сохраняются даже после перехода на тяжелонагруженные уплотнения, внимание должно сместиться на лежащую в основе механическую динамику. Во многих случаях механическое уплотнение является лишь «жертвой» нестабильности системы, а не первопричиной. Критическим, но часто упускаемым из виду физическим фактором, ведущим к преждевременному выходу из строя, является Осевое усилие (осевая нагрузка). Без решения проблемы гидравлической балансировки ротора простая замена уплотнительного компонента является временным решением, которое не устраняет фундаментальное механическое напряжение.

2. Физика процесса: Понимание осевого усилия

Чтобы понять, почему выходят из строя уплотнения, необходимо сначала понять силовую обстановку внутри корпуса насоса.Осевое усилие — это результирующая сила, действующая на ротор (вал и рабочее колесо) параллельно оси вала. Проще говоря, это гидравлическая сила, пытающаяся сдвинуть вал либо в сторону всасывающего патрубка, либо в сторону двигателя. Эта сила возникает из-за перепада давления на рабочем колесе:   

  · Сторона всасывания: Вход в рабочее колесо работает при низком давлении.   

 · Сторона нагнетания: Область за задним диском рабочего колеса подвергается высокому давлению нагнетания.    Это неравномерное распределение давления создает значительную результирующую силу, действующую в сторону всасывающего патрубка. В нормальных проектных условиях упорный подшипник насоса поглощает эту нагрузку, «фиксируя» вал на месте. Однако, если эксплуатационные условия приводят к превышению осевого усилия над грузоподъемностью подшипника, подшипник может выйти из строя или прогнуться, позволяя валу физически перемещаться внутри корпуса (это явление известно как осевое смещение).

3. Механизмы отказа: Как осевое усилие физически повреждает уплотнение

Торцевые уплотнения — это прецизионные устройства. Сопряжение вращающегося и неподвижного уплотнительных колец зависит от точных настроек пружинного натяжения, при этом допуски на установку часто составляют всего +/- 0,5 мм. Когда неконтролируемое осевое усилие заставляет вал смещаться, оно разрушает уплотнение двумя конкретными физическими механизмами:

A. Нагрузка на поверхности (раздавливание)

Когда осевая сила чрезмерно толкает вал в сторону всасывающего патрубка, вращающееся уплотнительное кольцо с силой вдавливается в неподвижное. Это приводит к:   

 · Работе всухую: Крайнее контактное давление выдавливает смазывающую жидкостную пленку между поверхностями. 

 · Термическому растрескиванию: Трение генерирует интенсивный нагрев, вызывая радиальные трещины на керамических или твердых поверхностях.    

· Разрушению: При экстремальных нагрузках угольные кольца могут полностью разрушиться.

B. Разъединение поверхностей (раскрытие)

В переходных режимах (таких как гидравлический удар при остановке или помпаж) вал может смещаться в противоположном направлении. Это заставляет уплотнительные поверхности расходиться, что приводит к:    

· Массивной утечке: Мгновенный выброс жидкости под давлением.    

· Попаданию загрязнений: Твердые частицы попадают в зазор между разомкнутыми поверхностями. Когда вал возвращается в исходное положение, эти частицы действуют как абразив, разрушая отполированные поверхности уплотнения.

4. Анализ первопричин: Почему осевое усилие выходит из-под контроля

Хорошо спроектированный насос должен балансировать номинальные осевые силы. Неконтролируемое осевое усилие обычно вызвано конкретными эксплуатационными проблемами:    

· Работа вне характеристики: Насосы гидравлически сбалансированы в их точке наилучшего КПД (BEP). Работа при очень низком расходе (чрезмерное дросселирование) или очень высоком расходе (работа на пределе характеристики) нарушает распределение давления вокруг рабочего колеса, генерируя непредсказуемые и чрезмерные осевые нагрузки.    

· Изношенные разгрузочные (уплотнительные) кольца: Разгрузочные кольца служат для изоляции зон высокого и низкого давления, способствуя балансировке противодавления. По мере износа этих колец и увеличения зазора этот гидравлический балансирующий эффект теряется, вызывая умножение результирующего осевого усилия.    

· Кавитация: Схлопывание кавитационных пузырьков создает высокочастотные ударные волны. Это вызывает сильную осевую вибрацию вала, которая тысячи раз в минуту «бьет» по поверхностям уплотнения.

5. Диагностика и решение

Чтобы подтвердить, является ли осевое усилие виновником, выполните анализ после вскрытия:Контрольный список для диагностики:    

1. Осмотрите старые уплотнения: Глубокие следы износа, термические трещины или разрушенные угольные кольца — явные признаки чрезмерной нагрузки на поверхности.    

2. Осмотрите подшипники: Если упорные подшипники также перегреваются, имеют изменение цвета или показывают износ сепаратора, это подтверждает чрезмерную осевую нагрузку.    

Стратегии предотвращения:    

· Эксплуатационный контроль: Обеспечьте работу насоса вблизи его точки BEP. Избегайте использования чрезмерно мощных насосов для малых потребностей в расходе.    

· Техническое обслуживание: Регулярно контролируйте зазор разгрузочных колец. Замена разгрузочного кольца значительно дешевле, чем замена уплотнения и вала.   

 · Гидравлическое проектирование: Для требовательных применений выбирайте насосы со встроенными балансировочными функциями. Например, насосы Stream Pumps используют усовершенствованные рабочие колеса с обратными лопатками или балансировочными отверстиями, специально разработанными для нейтрализации осевых сил в источнике их возникновения, защищая уплотнение.

Заключение

Течь через уплотнение часто является симптомом, а не болезнью. Без устранения перемещения вала, вызванного осевым усилием, дорогие уплотнительные материалы являются напрасной инвестицией. Надежность достигается за счет контроля рабочей точки, поддержания разгрузочных колец и выбора правильной гидравлической конструкции.    Если на вашем предприятии часто требуется замена уплотнений, обратитесь в техническую команду Stream Pumps. Мы можем помочь в анализе условий вашей системы и предоставить насосные решения, устойчивые к осевому усилию, разработанные для долговечной работы.