Hoe mechanische afdichtingen voor hoge temperaturen te selecteren

Wat is een mechanische afdichting voor hoge temperaturen?

Een mechanische afdichting voor hoge temperaturen is een kritisch onderdeel in roterende apparatuur die werkt in extreme hitteomstandigheden. Deze gespecialiseerde afdichtingen zijn ontworpen om hoge temperaturen te weerstaan, terwijl ze hun afdichtingseffectiviteit behouden, lekkage voorkomen en een betrouwbare werking garanderen. Mechanische afdichtingen voor hoge temperaturen vinden toepassingen in verschillende industrieën, waaronder olie en gas, chemische verwerking, energieopwekking en lucht- en ruimtevaart.

Hogetemperatuur-mechanische afdichtingen zijn ontworpen om de unieke uitdagingen van omgevingen met hoge temperaturen aan te pakken. Ze moeten omgaan met thermische uitzetting, materiaaldegradatie, vloeistofverdamping en mogelijke verkooksing of vervuiling van afdichtingscomponenten. Om deze problemen aan te pakken, bevatten hogetemperatuur-afdichtingen functies zoals gebalanceerde afdichtingsvlakken, zwevende componenten en geavanceerde materiaalcombinaties die extreme hitte kunnen weerstaan en hun dimensionale stabiliteit behouden.

Uitdagingen van omgevingen met hoge temperaturen voor mechanische afdichtingen

Materiaaldegradatie

Hoge temperaturen kunnen ervoor zorgen dat afdichtingsmaterialen degraderen, mechanische eigenschappen verliezen en voortijdig falen. Polymeren, elastomeren en zelfs metalen kunnen zacht worden, bros worden of chemische veranderingen ondergaan bij hoge temperaturen, waardoor de afdichtingsprestaties in gevaar komen.

Thermische uitzetting en mechanische vervorming

Temperatuurschommelingen en -gradiënten kunnen leiden tot differentiële thermische uitzetting tussen afdichtingscomponenten en aangrenzende apparatuur. Dit kan resulteren in mechanische vervorming, verlies van afdichtingscontact en lekkagepaden.

Vloeistofverdamping en drooglopen

Vloeistoffen met hoge temperaturen zijn gevoelig voor verdamping, vooral bij de afdichtingsinterface. Verdamping kan leiden tot droogloopomstandigheden, verhoogde slijtage en afdichtingsfalen. Het handhaven van een stabiele vloeistoffilm is cruciaal voor afdichtingssmering en warmteafvoer.

Verkoling en vervuiling van afdichtingscomponenten

Bepaalde vloeistoffen met hoge temperaturen, zoals koolwaterstoffen, kunnen cokesvorming ondergaan of afzettingen achterlaten op afdichtingsvlakken en componenten. Cokesvorming en vervuiling verstoren de afdichtingsinterface, veroorzaken abrasieve slijtage en verslechteren de afdichtingsprestaties.

Belangrijke factoren bij het selecteren van mechanische afdichtingen voor gebruik bij hoge temperaturen

Eigenschappen van procesvloeistoffen

De eigenschappen van de procesvloeistof spelen een cruciale rol bij het bepalen van de juiste mechanische afdichting voor hogetemperatuurservice. Belangrijke overwegingen zijn de chemische samenstelling van de vloeistof, viscositeit en het potentieel voor faseveranderingen bij verhoogde temperaturen.

Vloeistoffen met hoge dampdruk kunnen bijvoorbeeld gespecialiseerde afdichtingsontwerpen vereisen om verdamping te voorkomen en vloeistof op de afdichtingsinterface te houden. Bovendien kunnen corrosieve of agressieve vloeistoffen het gebruik van chemisch bestendige afdichtingsoppervlakmaterialen en elastomeren noodzakelijk maken om voortijdig falen te voorkomen.

Temperatuurgrenzen van afdichtingsmaterialen

Omgevingen met hoge temperaturen kunnen afdichtingsmaterialen tot het uiterste drijven, waardoor het essentieel is om componenten te selecteren die bestand zijn tegen de verwachte bedrijfsomstandigheden. De maximale temperatuurclassificatie van afdichtingsoppervlakmaterialen, zoals siliciumcarbide, wolfraamcarbide en koolstofgrafiet, moet zorgvuldig worden geëvalueerd om ervoor te zorgen dat ze hun integriteit en tribologische eigenschappen behouden bij de gewenste bedrijfstemperatuur.

Op dezelfde manier moeten elastomeren die worden gebruikt in secundaire afdichtingen, zoals FKM, FFKM en PTFE, worden gekozen op basis van hun temperatuurstabiliteit en het vermogen om hun afdichtingseigenschappen te behouden onder hoge temperaturen.

Drukcapaciteiten van afdichtingsontwerpen

De drukclassificatie van een mechanische afdichting is een andere kritische factor in toepassingen met hoge temperaturen. Afdichtingsontwerpen moeten bestand zijn tegen de verwachte werkdrukken zonder de integriteit van de afdichtingsinterface in gevaar te brengen of overmatige lekkage toe te staan.

Back-to-back en tandem seal-arrangementen worden vaak gebruikt in hogedruk-, hogetemperatuur-services om extra afdichtingsredundantie te bieden en drukmogelijkheden te verbeteren. De selectie van afdichtingsoppervlakmaterialen met hoge druksterkte en het gebruik van robuuste afdichtingsbehuizingsontwerpen kunnen de drukprestaties van mechanische afdichtingen in veeleisende omgevingen met hoge temperaturen verder verbeteren.

Assnelheid en apparatuurdynamiek

De rotatiesnelheid van de apparatuur en de bijbehorende asdynamiek kunnen een aanzienlijke impact hebben op de prestaties van mechanische afdichtingen in toepassingen met hoge temperaturen. Hoge assnelheden kunnen door wrijving verhoogde warmte genereren bij de afdichtingsinterface, wat leidt tot versnelde slijtage en potentiële thermische vervorming van afdichtingscomponenten.

Om deze problemen te verminderen, kunnen afdichtingsontwerpen met verbeterde smeerfuncties, zoals spiraalgroeven of lasergegraveerde vlakpatronen, worden gebruikt om de warmteafvoer te verbeteren en een stabiele vloeistoffilm tussen de afdichtingsvlakken te behouden. Bovendien kan het gebruik van flexibele grafiet- of Grafoil-secundaire afdichtingen asafwijkingen opvangen en de impact van apparatuurdynamiek op de afdichtingsprestaties bij hoge temperaturen minimaliseren.

Mechanische afdichtingstypen en -opstellingen voor toepassingen met hoge temperaturen

Back-to-Back-regeling

In een back-to-back seal-opstelling worden twee mechanische seals gemonteerd met hun achterplaten naar elkaar gericht. Deze configuratie zorgt ervoor dat een koel- of barrièrevloeistof tussen de seals kan circuleren, waardoor warmteafvoer effectief wordt beheerd.

Back-to-back seals zijn ideaal voor toepassingen met hoge temperaturen waarbij de procesvloeistof bijzonder heet is of waar thermische uitzetting van componenten een probleem is. De barrièrevloeistof helpt een stabiele omgeving voor de sealvlakken te behouden, voorkomt materiaaldegradatie en zorgt voor optimale prestaties.

Face-to-Face-regeling

Face-to-face seal-opstellingen hebben twee mechanische seals die met hun sealvlakken naar elkaar toe zijn gemonteerd. Deze opstelling is gunstig bij toepassingen met hoge temperaturen waarbij de procesvloeistof schoon is en geen risico vormt op verstopping of vervuiling van de sealcomponenten.

Face-to-face afdichtingen zorgen voor efficiënte warmteafvoer via de afdichtingsvlakken, aangezien de koelvloeistof direct in contact kan komen met beide sets vlakken. Deze opstelling wordt vaak gebruikt in combinatie met een geschikt leidingplan om een goede koeling en smering van de afdichtingsvlakken te garanderen.

Tandemregeling

Tandem seal-arrangementen bestaan uit twee mechanische afdichtingen die in serie zijn gemonteerd, met een buffervloeistof ertussen. Deze configuratie biedt een extra beschermingsniveau tegen lekkage en wordt vaak gebruikt in toepassingen met hoge temperaturen waarbij de procesvloeistof gevaarlijk of milieugevoelig is.

De buffervloeistof dient om de afdichtingsvlakken te smeren en te koelen, terwijl het ook fungeert als een barrière tussen de procesvloeistof en de atmosfeer. Tandemafdichtingen zijn bijzonder effectief in het voorkomen van vloeistofverdamping en drooglopen, omdat de buffervloeistof zelfs bij verhoogde temperaturen een vloeibare toestand behoudt.

Materiaalselectiegids voor mechanische afdichtingen voor hoge temperaturen

Gezichtsmaterialen:

• Siliciumcarbide: Hoge thermische geleidbaarheid, slijtvastheid, chemische compatibiliteit, thermische schokbestendigheid. Geschikt voor temperaturen tot 1800°F (982°C).
• Wolfraamcarbide: Superieure slijtvastheid, ideaal voor schurende omgevingen.
• Koolstofgrafiet: Zelf-smerend, thermisch stabiel, geschikt voor droogloopomstandigheden en temperaturen tot 1000°F (538°C).

Elastomeren:

• Fluorelastomeren (FKM): Geschikt voor temperaturen tot 204°C (400°F), biedt goede chemische bestendigheid.
• Perfluorelastomeren (FFKM): Kan temperaturen tot 600°F (316°C) aan en biedt een uitzonderlijke chemische bestendigheid.
• Polytetrafluorethyleen (PTFE): Uitstekende thermische stabiliteit, lage wrijving, chemische inertheid. Geschikt voor temperaturen tot 500°F (260°C).

Metallurgie:

• Roestvast staal (bijv. 316L, 17-4PH): Sterkte, duurzaamheid, weerstand tegen oxidatie bij hoge temperaturen.
• Hastelloy en Inconel-legeringen: Superieure corrosiebestendigheid en hoge-temperatuurprestaties. Ideaal voor agressieve chemische omgevingen en temperaturen boven 1000°F (538°C).

Secundaire afdichtingen:

• Flexibel grafiet: Uitstekende afdichtbaarheid, thermische geleidbaarheid, chemische bestendigheid. Geschikt voor temperaturen tot 1200°F (649°C).
• Grafoil: Vergelijkbare eigenschappen als flexibel grafiet, kan temperaturen tot 850°F (454°C) weerstaan.

Mechanische afdichtingsondersteuningssystemen voor hogetemperatuurservice

Barrière- en buffervloeistofsystemen

Een barrièrevloeistofsysteem introduceert een compatibele vloeistof tussen de afdichtingsvlakken, waardoor een fysieke barrière ontstaat tussen de procesvloeistof en de atmosfeer. Deze barrièrevloeistof wordt op een hogere druk gehouden dan de procesvloeistof, waardoor wordt voorkomen dat de procesvloeistof de afdichtingsvlakken bereikt.

Daarentegen gebruikt een buffervloeistofsysteem een vloeistof die compatibel is met zowel de procesvloeistof als de afdichtingsmaterialen, maar met een lagere druk dan de procesvloeistof. De buffervloeistof helpt de afdichtingsvlakken te koelen en te smeren, waardoor warmteontwikkeling wordt verminderd en de levensduur van de afdichting wordt verlengd.

Leidingplannen

Leidingplannen zijn gestandaardiseerde opstellingen van hulpapparatuur en leidingen die mechanische afdichtingen ondersteunen in verschillende toepassingen, waaronder hogetemperatuurservice. Deze plannen worden aangeduid met nummers volgens de American Petroleum Institute (API) Standard 682. Enkele veelvoorkomende leidingplannen voor mechanische afdichtingen bij hoge temperaturen zijn:

• Plan 23: Dit plan gebruikt een warmtewisselaar om de barrièrevloeistof te koelen, die wordt rondgepompt door een pompring of externe pomp. De gekoelde barrièrevloeistof helpt om stabiele temperaturen te behouden op de afdichtingsvlakken.
• Plan 52: In deze opstelling levert een extern reservoir buffervloeistof aan de afdichtingskamer via een gasklepbus. De buffervloeistof helpt de afdichtingsvlakken te koelen en te smeren, terwijl de gasklepbus de stroomsnelheid regelt en het gewenste drukverschil handhaaft.
• Plan 53A: Dit plan combineert kenmerken van Plan 52 en 23, met gebruikmaking van een extern reservoir onder druk om spervloeistof naar de afdichtingskamer te voeren en een warmtewisselaar om de circulerende vloeistof te koelen.
• Plan 54: Dit plan is vergelijkbaar met Plan 53A en maakt gebruik van een extern drukreservoir en een warmtewisselaar. Daarnaast bevat het een afsluitbus met nauwe speling om de spervloeistofstroom te regelen en het drukverschil te handhaven.