На что влияют материалы торцевых уплотнений и как выбрать нужное

Современные центробежные и вихревые насосы – надежное и производительное оборудование, широко используемое для перекачивания жидкостей практически во всех отраслях промышленности, в сельскохозяйственном производстве, в системе ЖКХ, в быту. Особенности конструкции обеспечивают агрегатам высокий эксплуатационный ресурс при минимальном объеме технического обслуживания. Но, вместе с этим, насосы с приводом от электродвигателей не лишены и недостатков. Основная проблема заключается в обеспечении герметичности в месте прохождения вращающегося вала привода через корпус к рабочему колесу. Здесь неизбежен зазор и возможно вытекание рабочей среды. Для того, чтобы предотвратить утечку жидкости, это место уплотняется установкой специальных деталей, плотно прилегающих к валу и корпусу, но не препятствующих вращению. В этом качестве используются сальниковые набивки, резиновые манжеты, торцевые уплотнения. Общим у этих деталей является только назначение, различаются они многим, а в первую очередь – износостойкостью, зависящей от конструкции и материалов изготовления.

Характеристика уплотнителей для насосов

До недавнего времени в качестве основного уплотнителя для насосов использовалась  сальниковая набивка, жгут из волокнистых органических или минеральных материалов (гибкий графит, асбест, стекловолокно). Уплотнение такого типа недорого, но крайне недолговечно и ненадежно. Несколько лучшие эксплуатационные характеристики имеют кольцевые резиновые манжеты с круговой стальной пружиной. Манжета устанавливается в специальное посадочное гнездо корпуса насоса, вращающийся вал привода плотно прилегает к ее внутренней поверхности, это предотвращает утечку рабочей среды. В сравнении с сальником, уплотнение такого типа более эффективно, но его износостойкость так же невысока. Наилучшие результаты при эксплуатации современных моделей центробежных и вихревых насосов показывают механические торцевые уплотнения. Они лишены практически всех недостатков сальников и манжет. Модельный ряд их обширен и позволяет максимально точно произвести выбор для насоса с конкретными эксплуатационными характеристиками. Механические торцевые уплотнения дороже сальников и манжет, но это компенсируется высокой герметизирующей способностью, износостойкостью, продолжительным сроком службы.

Конструктивные особенности механических торцевых уплотнений

Механическое торцевое уплотнение – обязательный элемент компоновки современного насоса, отвечающий за предотвращение утечки рабочей среды в месте контакта вала привода и корпуса рабочей камеры. В общем случае, в его состав входят следующие элементы:

• корпус, фиксируемый в специальном посадочном гнезде на входе вала в насос;
• соприкасающиеся кольца пары трения: неподвижное, запрессованное в корпус и подвижное, вращающееся вместе с валом;
• прижимная пружина (одна или несколько) для усиления прижима колец трения друг к другу;
• элементы вторичного уплотнения, сильфон – детали, создающие дополнительный уплотняющий эффект.

Вместе с особенностями конструкции, функциональность уплотнителя во многом зависит от материалов изготовления всех его частей и, в первую очередь, колец пары трения. Они находятся в постоянном подвижном контакте друг с другом, должны быть гладкими и износостойкими. Эти качества кольцам пары трения обеспечивают следующие материалы:

• Графит. Этот материал, особенно модифицированный добавлением специальных смол и металлической пыли, часто используется в качестве колец пары трения. Графит наиболее эффективен в агрегатах, перекачивающих непищевые холодные и горячие жидкости, масла, его недостаток – непереносимость в рабочей среде механических взвесей. 
• Карбид вольфрама. Этот материал является одним из самых твердых, стойких к износу, высоким температурам, коррозии. Кольца пары трения из карбида вольфрама применимы практически в любых направлениях использования перекачивающего оборудования. Недостаток – относительно высокий коэффициент трения, что ограничивает скорость вращения или требует дополнительной смазки зоны контакта барьерной (затворной) жидкостью.  
• Карбид кремния, керамика. Эти материалы устойчивы к износу, нагреву, коррозии, но характеризуются относительно высоким коэффициентом трения, хотя и более низким, чем у карбида вольфрама.
• Оксид алюминия. Материал тверд, но некоторые рабочие среды могут вызвать его коррозию.

Все вышеперечисленные материалы широко используются производителями механических торцевых уплотнений для изготовления колец пар трения. Необходимо отметить, что для улучшения эксплуатационных характеристик и износостойкости деталей они часто комбинируются друг с другом. Так, графит с карбидом вольфрама допускает даже возможность «на сухую» и при предельно высокой температуре рабочей среды. Кольца графит/карбид кремния аналогичны по свойствам, но менее стойки в горячей воде. Хорошие результаты показывает комбинация оксид алюминия/графит. Значительно улучшить эксплуатационные характеристики колец пары трения позволяет конструкция уплотнителя, предусматривающая возможность дополнительной смазки места их контакта. 

В надежности и функциональности механического торцевого уплотнения большое значение имеют и материалы других элементов конструкции – сильфона, вторичного уплотнения. Это бутадиен-нитрильный, этиленпропиленовый каучук, вайтон (фторкаучук). Эти материалы обеспечивают дополнительную защиту основным элементам конструкции и характеризуются экологичностью, химической стойкостью, возможностью работы в широком температурном диапазоне. Для изготовления корпуса, прижимной пружины и другие металлических частей торцевых уплотнений используется нержавеющая коррозийно стойкая сталь марок SS304 и SS316.

Основы выбора

При выборе торцевого уплотнения для замены изношенного, кроме установочных размеров принимаются во внимание условия эксплуатации насоса (производительность, скорость вращения вала) и параметры перекачиваемой среды (температура, давление, вязкость, степень загрязнения, агрессивность). Соответствие свойств материалов изготовления уплотнителя условиям предстоящей эксплуатации – гарантия сохранения его функциональности на протяжении всего нормативного срока службы.