В химической промышленности используется большое количество различного рода оборудования с перемешивающими устройствами: аппараты, насосы, компрессоры и др.  Уплотняемыми средами в этом оборудовании являются химически агрессивные, токсичные, взрывоопасные, полимеризующиеся и кристаллизующиеся, экологически опасные среды. Около 70% оборудования по данным исследования, выполнено в коррозионностойком исполнении (из нержавеющих сталей типа 12Х18Н10Т, Х17Н13М2Т, 6ХН28МДТ, титана ВТ1-0, хастеллоя и т.п.) Примерно 12% оборудования изготовлено из высококоррозионностойких материалов, таких как: полимеры, в особенности фторопласт-4; стеклоэмали; керамика; ситаллы; карбид кремния, графит и другие.

Условия эксплуатации оборудования в химической промышленности наиболее тяжёлые по сравнению с другими отраслями, так как здесь производятся и перерабатываются  продукты,  обладающие  высокоагрессивными, токсичными, взрывоопасными, горючими,  полимеризационными и кристаллизаионными, а также биологически опасными и вредными свойствами для человека и окружающей среды. Для обеспечения полной безопасности производства химической продукции с выше перечисленными свойствами, необходима надёжная система уплотнений. Наиболее пригодны для этих условий торцовые уплотнения, обладающие высокой надежностью и минимальными утечками. Так как условия работы уплотнений в насосах и аппаратах сильно отличаются, то и уплотнения для них существенно различаются конструктивно. В большинстве конструкций насосов вал расположен горизонтально, и уплотнение работает, как правило, в жидкой рабочей среде. В аппаратах вал расположен вертикально сверху и уплотнение работает в большинстве случаев в парогазовой среде, поэтому предпочтение отдается двойным торцовым уплотнениям с подводом жидкой затворной среды. Для каждого типа оборудования имеется ряд модификаций учитывающих особенности рабочей среды, конструкцию оборудования, привода и т. д.

Применение

ООО  НПЦ «АНОД» специализируется на разработке и изготовлении широкой гаммы оборудования: уплотнений, насосов, подшипниковых блоков, арматуры и сегодня является лидером по поставкам уплотнений в энергетическую, нефтяную, газовую и химическую отрасли промышленности России. К настоящему времени реализовано более 500 проектов и изготовлено более 9000 уплотнений для более 150 предприятий России и стран СНГ. Среди Заказчиков нашего предприятия такие широко известные предприятия и фирмы как ОАО «Сибур-Нефтехим», ОАО «Дзержинскжиммаш», ФГУП «Завод Химмаш РАН» г. Старая Русса, ОАО «Кировочепецкий химический комбинат», ОАО «Томский нефтехимический комбинат», ОАО «Азот» г. Кемерово, ОАО «Нижнекамский НПЗ» и целый ряд других предприятий. Созданные уплотнения по своей надежности, герметичности, долговечности значительно превосходят имеющиеся отечественные, а в отдельных случаях и зарубежные аналоги.

Конструктивные разновидности уплотнений

ООО НПЦ «АНОД» разработал и выпускает двойные торцовые уплотнения для аппаратов химической промышленности, формируемые из блоков в разных сочетаниях, это:

• Двойные торцовые уплотнения
• Двойные торцовые уплотнения сильфонным блоком из фторопласта
• Стояночное уплотнение
• Блок защиты от адгезионных и кристаллизационных свойств среды
• Блок холодильника
• Блок подшипника

Конструкция и работа уплотнений.

Уплотнения торцевые двойные (УТД100)

Торцевые уплотнения классифицируются на одинарные и многоступенчатые. Многоступенчатые в свою очередь подразделяются на двойные, тандемные, тройные и т.д. Двойные уплотнения (рисунок 1) состоят из двух ступеней, расположенных в полости объединяющего их корпуса «спина к спине». В эту полость подается затворная жидкость с давлением, превышающим рабочее на 0,1…0,3 МПа. В данных уплотнениях исключается попадание рабочей среды в окружающую среду. Пара трения, разделяющая  затворную полость и атмосферу, наиболее нагружена — она работает при максимальном перепаде давления, равном Р_раб + (0,1- 0,3) МПа.

НПЦ «АНОД» выпускает двойные уплотнения  на валы, диаметрами от 25 до 310 мм. Количество выпускаемых типоразмеров уплотнений – более 135.

Отличительной особенностью уплотнений является оснащение их встроенным наружным холодильником, улучшающим условия эксплуатации уплотнения при температуре рабочей среды до 200 °С. Кроме того введен дренаж, позволяющий удалять продукты износа и собирать утечки, предотвращая их попадание в рабочую среду, что способствует минимизации засорения рабочей среды. Унифицированные посадочные и присоединительные размеры позволяют без дополнительных работ соединять уплотнения с различными блоками (холодильником, подшипником, стояночным и защитным блоками), выполняющими самостоятельные специфические функции.

Уплотнения типа «тандем» для химической промышленности ООО НПЦ «АНОД» пока не выпускает.

Уплотнения торцевые двойные с фторопластовым сильфоном

Для высокоагрессивных сред, разработаны и поставляются двойные торцовые уплотнения (рисунок 2), детали которых, соприкасающиеся со средой, выполнены (или защищены оболочками) из фторопласта 4, графита, карбида кремния, керамики, стеклоэмали и других  высококоррозионностойких материалов. Все внутренние детали уплотнения расположены за сильфоном из фторопласта 4, гофра которого имеет специальную форму, что позволяет вдвое, по сравнению с существующими аналогами, поднять рабочее давление. Сильфон снабжен специальным армирующим элементом, обеспечивающим работу уплотнения при повышенном рабочем давлении. Опорный фланец и резиновое кольцо, уплотняющее вал, защищены от воздействия уплотняемой среды оболочками из фторопласта. Наружный холодильник снижает температуру затворной жидкости, облегчая условия эксплуатации уплотнения. При монтаже этих уплотнений следует обращать особое внимание на чистоту поверхности уплотняемого вала и аккуратность при монтаже, так как резиновое кольцо в оболочке из фторопласта легко повреждается.

Уплотнения торцевые двойные со стояночным уплотнением

В ряде случаев имеется необходимость использовать надёжные торцовые уплотнения для герметизации таких опасных сред, как, отравляющие газы и высокотоксичные жидкости. Для полного исключения попадания отравляющих веществ в атмосферу разработаны и используются дополнительные устройства, так называемые стояночные уплотнения (рисунок 3), которые в случае разгерметизации основного торцевого уплотнения автоматически включаются в работу  и перекрывают путь опасным средам в атмосферу. Стояночное уплотнение имеет автономное крепление к бобышке аппарата и при необходимости замену торцового уплотнения можно производить без разгерметизации аппарата.

Уплотнения торцевые двойные с блоком защиты от воздействия адгезионных и кристаллизационных свойств среды

В химической и других отраслях промышленности перерабатываются среды, обладающие сильными адгезионными и кристаллизационными свойствами. При работе с адгезионными средами на поверхности деталей уплотнений образуется слой, приводящий к фиксации подвижных обойм уплотнения и склеиванию колец трения. При последующем пуске это приводит к склеиванию обоймы с нижним фланцем уплотнения и разрушению колец пары трения.  Осаждение кристаллов рабочего продукта на поверхностях колец трения в месте движения обоймы по нижнему фланцу уплотнения способствует повышенному износу деталей уплотнения. Для таких сред нами разработаны и используются специальные устройства – защитные блоки, устанавливаемые перед уплотнением (рисунок 4) и служащие для нейтрализации адгезионных и кристаллизационных свойств рабочей среды. Нейтрализация осуществляется за счёт среды, заполняющей защитное устройство.

Уплотнения торцевые двойные с холодильником

В промышленности широко применяется оборудование, работающее при высоких температурах. В этом случае требования к уплотнениям значительно выше. Для таких условий используются двойные торцевые уплотнения с блоком холодильника (рисунок 5), жёстко соединённые между собой. Присоединительные размеры у нижних фланцев холодильника и уплотнения – одинаковы. Таким образом, уплотнение может использоваться на аппарате и без холодильника, чем достигается взаимозаменяемость и максимальная унификация изделий. Уплотнения используются при температурах от + 200 до + 400° С.

Уплотнения торцевые двойные с блоком подшипника

Для герметизации аппаратов с длинными валами перемешивающих устройств, а также для оборудовании, в котором по ряду причин расстояния от подшипника до уплотнения значительны, разработаны и применяются уплотнения с блоком подшипника. Блок подшипника воспринимает осевую и радиальную нагрузку с уплотняемого вала и максимально снижает радиальные биения. Торцовое уплотнение монтируется единым блоком с жестко скрепленным блоком подшипника на бобышку аппарата (рисунок 6). Отличие от всех известных конструкций состоит в том, что блок подшипника выделен в самостоятельный узел и не связан общими деталями с уплотнением, что позволяет проводить ремонт подшипника без разборки уплотнения, а ремонт уплотнения без разборки блока подшипника, снижая трудоёмкость обслуживания и ремонта.

Некоторые из компоновок блоков, сочетающие в себе положительные качества каждого, представлены на нижеприведенных рисунках. По разработанной схеме компоновки блоков можно создать практически все, требуемые по условиям эксплуатации уплотнения.

Технические характеристики

Тип торцевого уплотнения	Диаметр вала, мм		Частота вращения вала, об/мин		Температура уплотняемой среды, °C		Давление уплотняемой среды, МПа
	Min	Max	Min	Max	Min	Max	Min	Max
Двойное	25	240	10	1500	-35	200	вакуум	5,0
Двойное с сильфоном	25	130	10	1500	-50	200	вакуум	1,6
Двойное с блоком холодильника	25	240	10	1500	-35	400	вакуум	3,2
Двойное с блоком защиты	25	130	10	1500	-35	200	вакуум	1,6
Двойное с блоком подшипника	25	240	10	1500	-35	200	вакуум	3,2
Двойное с блоками подшипника и холодильника	25	240	10	1500	-35	400	вакуум	3,2
Двойное с сильфоном и подшипником	25	130	10	1500	-35	200	вакуум	1,6
Двойное с сильфоном, подшипником и холодильником	25	130	10	1500	-35	300	вакуум	1,6
Двойное со стояночным уплотнением	25	240	10	1500	-35	180	вакуум	3,2
Двойное со стояночным уплотнением и блоком подшипника	25	240	10	1500	-35	180	вакуум	3,2
Двойное с блоками подшипника, холодильника и  защиты от воздействия сред	25	240	10	1500	-35	300	вакуум	3,2

Следует отметить, что нам не известны аналогичные конструктивные схемы производства уплотнений в мировой практике. В настоящее время ООО НПЦ «АНОД» выпускает 11 модификаций и более 140 типоразмеров уплотнений для химической промышленности. Выпускаемая продукция отличается высоким качеством и надёжностью.

 

Одной из новинок НПЦ АНОД. стало  проектирование дейдвудных торцевых уплотнений для  водометных движителей для ОАО «Зеленодольский завод им А.М. Горького» :

— торцевое уплотнение для предотвращения утечек уплотняемой среды в окружающую среду через зазор между валом и корпусом подшипникового узла водометного движителя, а также других движителей с аналогичными техническими характеристиками и присоединительными размерами:и предотвращения утечек масла в окружающую среду.

— торцевое уплотнениес  дополнительным  стояночным  уплотнением для предотвращения утечек уплотняемой среды в атмосферу через зазор между гребным валом и дейдвудной трубой в дейдвудных устройствах судов.

Торцевое уплотнение  представляет собой блок монтажной готовности, состоящий из вращающихся и невращающихся элементов.

Для увеличения ресурса по износу от попадания абразивной смеси  в торцевых уплотнениях  применены пары трения  из карбида кремния (пары трения можно использовать повторно после притирки).

Особенностями  эксплуатации дейдвудных  торцевых уплотнений  являлось наличие больших радиальных  и угловых перемещений вала, а так же необходимость обеспечения демонтажа и ремонта торцевого  уплотнения без протечек  забортной воды по валу на  время ремонта. На судне, где устанавливается дейдвудное торцевое уплотнение, угловое перемещение появляется в результате вертикальных перемещений двигателя, установленного на упругих опорах. В результате, спроектирована конструкция  торцевого уплотнения  обеспечивающая   герметичность при радиальных перемещениях вала  до 6 мм в месте установки торцевого уплотнения. Герметичность  по валу на время демонтажа торцевого уплотнения для ремонта обеспечивается оригинальной конструкцией стояночного уплотнения в виде пневмостопа.  По требованию заказчика  стояночное уплотнение  может быть выполнено с пневматическим, электрическим  или механическим  приводом.

Успешная эксплуатация на судне  торцевых  уплотнений показала  хорошую   ремонтопригодность  и  надежность в сравнение с импортными аналогами.

В настоящее время  НПЦ АНОД производит  дейдвудные  торцевые уплотнения в соответствии с  правилами РРР и РМРС.

В обычных многоступенчатых торцевых уплотнениях набор одинарных уплотнений располагается вдоль оси. Это требует больших осевых размеров. Однако в ряде случаев в оборудовании недостаточно места для размещения даже двух одинарных уплотнений, но достаточно места в радиальном направлении. В этих случаях применяют набор одинарных торцевых уплотнений расположенных радиально к оси уплотняемого вала.
Пример конструкции с радиальным расположением одинарных торцевых уплотнений используемых в настоящее время ведущими мировыми фирмами приведён на рис.1.

Эти конструкции имеют некоторые особенности.
Подвод и отвод запирающей жидкости в них осуществляется с помощью трубок. Трубки размещены в диаметрально противоположных точках и имеют разную высоту: подводящая – ниже, а отводящая выше подводящей. Обе трубки выше плоскости контакта колец трения, а сечение канала отводящей трубки меньше сечения канала подводящей трубки и отсутствует возможность сброса воздуха из верхней части внутренней полости с запирающей средой.
Серьёзными недостатками этой конструкции являются:

• неравномерность распределения по окружности потока запирающей среды, омывающей кольца трения;
• в верхней части полости образуется застойная зона с запирающей средой и воздушным пузырём;
• значительный радиальный размер двух трубок с Ду=10…18мм: — подводящей и отводящей, увеличивающий радиальные размеры уплотнения и его массу.

В ООО НПЦ «АНОД» была разработана запатентованная новая конструкция радиальных торцевых уплотнений, которая позволяет: уменьшить радиальные размеры уплотнений на 20-30мм, управлять потоком затворной жидкости, устранить возможность образования воздушных пузырей и сократить количество наружных вращающихся деталей. Это повышает эксплуатационные характеристики, безопасность и надёжность радиальных уплотнений.
Минимизация размеров достигается за счёт размещения в затворной полости тонкостенной оболочки, один конец которой жёстко и герметично соединён с крышкой уплотнения, а другой находится ниже плоскости контакта колец трения, и разделяет камеру под затворную жидкость на две части, обеспечивая направленную циркуляцию затворной среды, равномерно омывающую оба кольца трения. Отводящие каналы в крышке выполнены в виде щелей малого радиального сечения. Так как подвод и отвод затворной среды производится в верхних точках затворной полости по разные стороны разделительной оболочки, то возможность образования воздушных пузырей исключена.
Таким образом, предложенная конструкция решает проблему создания уплотнений с минимальными размерами в осевом и радиальном направлениях.