Cum să selectați garniturile mecanice pentru temperaturi ridicate

Ce este etanșarea mecanică pentru temperatură ridicată

O etanșare mecanică pentru temperatură ridicată este o componentă critică a echipamentelor rotative care funcționează în condiții extreme de căldură. Aceste etanșări specializate sunt proiectate să reziste la temperaturi ridicate, menținând în același timp eficiența de etanșare, prevenind scurgerile și asigurând o funcționare fiabilă. Etanșările mecanice la temperatură înaltă găsesc aplicații în diverse industrii, inclusiv petrol și gaze, procesare chimică, generare de energie și aerospațială.

Garniturile mecanice de înaltă temperatură sunt proiectate pentru a face față provocărilor unice generate de mediile cu temperaturi ridicate. Acestea trebuie să se confrunte cu expansiunea termică, degradarea materialului, vaporizarea fluidelor și potențiala cocsificare sau murdărire a componentelor de etanșare. Pentru a rezolva aceste probleme, etanșările la temperatură înaltă încorporează caracteristici cum ar fi fețele de etanșare echilibrate, componente plutitoare și combinații avansate de materiale care pot rezista la căldură extremă și pot menține stabilitatea dimensională.

Provocările mediului cu temperatură înaltă pe etanșările mecanice

Degradarea materialului

Temperaturile ridicate pot determina degradarea materialelor de etanșare, pierderea proprietăților mecanice și defectarea prematură. Polimerii, elastomerii și chiar metalele se pot înmuia, fragiliza sau pot suferi modificări chimice la temperaturi ridicate, compromițând performanța de etanșare.

Dilatare termică și deformare mecanică

Fluctuațiile și gradienții de temperatură pot duce la dilatare termică diferențială între componentele de etanșare și echipamentele adiacente. Acest lucru poate duce la deformare mecanică, pierderea contactului de etanșare și căi de scurgere.

Vaporizarea fluidelor și funcționarea uscată

Fluidele la temperatură înaltă sunt predispuse la vaporizare, în special la interfața de etanșare. Vaporizarea poate duce la condiții de funcționare uscată, uzură crescută și defectarea etanșării. Menținerea unui film de fluid stabil este esențială pentru lubrifierea etanșării și disiparea căldurii.

Cocsificarea și murdărirea componentelor de etanșare

Anumite fluide la temperatură înaltă, cum ar fi hidrocarburile, pot suferi cocsificare sau pot lăsa depuneri pe fețele de etanșare și pe componente. Cocsificarea și murdăria perturbă interfața de etanșare, provoacă uzură abrazivă și afectează performanța etanșării.

Factori cheie în selectarea etanșărilor mecanice pentru service la temperatură înaltă

Proprietățile fluidului de proces

Proprietățile fluidului de proces joacă un rol crucial în determinarea etanșării mecanice adecvate pentru funcționarea la temperaturi înalte. Considerațiile cheie includ compoziția chimică a fluidului, vâscozitatea și potențialul de schimbări de fază la temperaturi ridicate.

De exemplu, fluidele cu presiuni mari de vapori pot necesita modele de etanșare specializate pentru a preveni vaporizarea și pentru a menține lichidul la interfața de etanșare. În plus, fluidele corozive sau agresive pot necesita utilizarea materialelor pentru suprafața de etanșare rezistente chimic și elastomeri pentru a preveni defecțiunile premature.

Limitele de temperatură ale materialelor de etanșare

Mediile cu temperaturi ridicate pot împinge materialele de etanșare la limitele lor, ceea ce face esențială selectarea componentelor care pot rezista la condițiile de funcționare așteptate. Evaluarea temperaturii maxime a materialelor feței de etanșare, cum ar fi carbura de siliciu, carbura de tungsten și grafitul de carbon, trebuie evaluată cu atenție pentru a se asigura că își pot menține integritatea și proprietățile tribologice la temperatura de funcționare dorită.

În mod similar, elastomerii utilizați în etanșările secundare, cum ar fi FKM, FFKM și PTFE, ar trebui aleși pe baza stabilității la temperatură și a capacității de a-și păstra proprietățile de etanșare în condiții de temperatură ridicată.

Capabilitățile de presiune ale modelelor de etanșare

Presiunea nominală a unei etanșări mecanice este un alt factor critic în aplicațiile la temperatură ridicată. Modelele de etanșare trebuie să fie capabile să reziste la presiunile de funcționare așteptate fără a compromite integritatea interfeței de etanșare sau a permite scurgeri excesive.

Aranjamentele de etanșare back-to-back și tandem sunt adesea folosite în servicii de înaltă presiune și temperatură înaltă pentru a oferi redundanță suplimentară de etanșare și pentru a îmbunătăți capacitățile de presiune. Selectarea materialelor pentru suprafața de etanșare cu rezistență ridicată la compresiune și utilizarea unor modele robuste de carcasă de etanșare pot îmbunătăți și mai mult performanța la presiune a etanșărilor mecanice în medii solicitante cu temperatură ridicată.

Viteza arborelui și dinamica echipamentelor

Viteza de rotație a echipamentului și dinamica arborelui asociată pot avea un impact semnificativ asupra performanței etanșărilor mecanice în aplicații la temperaturi înalte. Vitezele mari ale arborelui pot genera căldură crescută la interfața de etanșare din cauza frecării, ceea ce duce la o uzură accelerată și o potențială distorsiune termică a componentelor de etanșare.

Pentru a atenua aceste probleme, modelele de etanșare cu caracteristici îmbunătățite de lubrifiere, cum ar fi șanțurile spiralate sau modelele fețelor inscripționate cu laser, pot fi utilizate pentru a îmbunătăți disiparea căldurii și pentru a menține o peliculă stabilă de fluid între fețele de etanșare. În plus, utilizarea etanșărilor secundare flexibile din grafit sau Grafoil poate adapta dezalinierea arborelui și poate minimiza impactul dinamicii echipamentului asupra performanței etanșării la temperaturi înalte.

Tipuri și aranjamente de etanșare mecanică pentru aplicații la temperatură înaltă

Aranjament spate în spate

Într-un aranjament de etanșare spate-la-spate, două etanșări mecanice sunt montate cu plăcile lor din spate față în față. Această configurație permite ca fluidul de răcire sau barieră să circule între garnituri, gestionând eficient disiparea căldurii.

Etanșările spate-la-spate sunt ideale pentru aplicații la temperaturi înalte în care fluidul de proces este deosebit de fierbinte sau în care dilatarea termică a componentelor este o problemă. Lichidul de barieră ajută la menținerea unui mediu stabil pentru fețele de etanșare, prevenind degradarea materialului și asigurând performanțe optime.

Aranjament față în față

Aranjamentele de etanșare față în față prezintă două etanșări mecanice montate cu fețele lor de etanșare orientate una spre cealaltă. Această configurație este benefică în aplicațiile la temperatură înaltă în care fluidul de proces este curat și nu prezintă riscul de înfundare sau murdărire a componentelor de etanșare.

Etanșările față în față permit o disipare eficientă a căldurii prin fețele de etanșare, deoarece fluidul de răcire poate intra în contact direct cu ambele seturi de fețe. Acest aranjament este adesea folosit împreună cu un plan de conducte adecvat pentru a asigura răcirea și lubrifierea corespunzătoare a fețelor de etanșare.

Aranjament tandem

Aranjamentele de etanșare tandem constau din două etanșări mecanice montate în serie, cu un fluid tampon între ele. Această configurație oferă un nivel suplimentar de protecție împotriva scurgerilor și este utilizată în mod obișnuit în aplicații la temperatură înaltă în care fluidul de proces este periculos sau sensibil pentru mediu.

Lichidul tampon servește la lubrifierea și răcirea fețelor de etanșare, acționând în același timp ca o barieră între fluidul de proces și atmosferă. Etanșările tandem sunt deosebit de eficiente în prevenirea vaporizării fluidului și a funcționării uscate, deoarece fluidul tampon menține o stare lichidă chiar și la temperaturi ridicate.

Ghid de selecție a materialului pentru etanșările mecanice de înaltă temperatură

Materiale pentru față:

• Carbură de siliciu: Conductivitate termică ridicată, rezistență la uzură, compatibilitate chimică, rezistență la șoc termic. Potrivit pentru temperaturi de până la 1800°F (982°C).
• Carbură de tungsten: rezistență superioară la uzură, ideală pentru medii abrazive.
• Grafit de carbon: auto-lubrifiant, stabil termic, potrivit pentru condiții de funcționare uscată și temperaturi de până la 1000°F (538°C).

Elastomeri:

• Fluoroelastomeri (FKM): Buni pentru temperaturi de până la 400°F (204°C), oferă rezistență chimică bună.
• Perfluoroelastomeri (FFKM): pot face față la temperaturi de până la 600°F (316°C), oferă rezistență chimică excepțională.
• Politetrafluoretilenă (PTFE): stabilitate termică excelentă, frecare scăzută, inerție chimică. Potrivit pentru temperaturi de până la 500°F (260°C).

Metalurgie:

• Oțeluri inoxidabile (de exemplu, 316L, 17-4PH): Rezistență, durabilitate, rezistență la oxidare la temperaturi ridicate.
• Aliaje Hastelloy și Inconel: rezistență superioară la coroziune și performanță la temperaturi înalte. Ideal pentru medii chimice agresive și temperaturi care depășesc 1000°F (538°C).

Garnituri secundare:

• Grafit flexibil: etanșare excelentă, conductivitate termică, rezistență chimică. Potrivit pentru temperaturi de până la 1200°F (649°C).
• Grafoil: Proprietăți similare cu grafitul flexibil, poate rezista la temperaturi de până la 850°F (454°C).

Sisteme de suport pentru etanșare mecanică pentru service la temperatură înaltă

Sisteme cu fluide de barieră și tampon

Un sistem de fluid barieră introduce un lichid compatibil între fețele de etanșare, creând o barieră fizică între fluidul de proces și atmosferă. Acest fluid de barieră este menținut la o presiune mai mare decât fluidul de proces, împiedicând fluidul de proces să ajungă la fețele de etanșare.

În contrast, un sistem de fluid tampon utilizează un fluid care este compatibil atât cu fluidul de proces, cât și cu materialele de etanșare, dar la o presiune mai mică decât fluidul de proces. Lichidul tampon ajută la răcirea și lubrifierea fețelor de etanșare, reducând generarea de căldură și prelungind durata de viață a etanșării.

Planuri de conducte

Planurile de țevi sunt aranjamente standardizate ale echipamentelor auxiliare și țevilor care susțin etanșările mecanice în diverse aplicații, inclusiv service la temperatură înaltă. Aceste planuri sunt desemnate prin numere conform Standardului 682 al Institutului American de Petrol (API). Unele planuri comune de conducte pentru etanșările mecanice la temperatură înaltă includ:

• Planul 23: Acest plan folosește un schimbător de căldură pentru a răci fluidul de barieră, care este circulat de un inel de pompare sau de o pompă externă. Lichidul de barieră răcit ajută la menținerea temperaturilor stabile pe fețele de etanșare.
• Planul 52: În acest aranjament, un rezervor extern furnizează lichid tampon către camera de etanșare printr-o bucșă de accelerație. Lichidul tampon ajută la răcirea și lubrifierea fețelor de etanșare, în timp ce bucșa de accelerație controlează debitul și menține diferența de presiune dorită.
• Planul 53A: Acest plan combină caracteristicile planurilor 52 și 23, folosind un rezervor exterior presurizat pentru a furniza fluid barieră la camera de etanșare și un schimbător de căldură pentru a răci fluidul în circulație.
• Planul 54: Similar cu Planul 53A, acest plan folosește un rezervor extern sub presiune și un schimbător de căldură, dar include și o bucșă de accelerație cu joc scurt pentru a controla debitul fluidului de barieră și a menține diferența de presiune.