Как выбрать механические уплотнения для высоких температур

Что такое механическое уплотнение для высоких температур?

Механическое уплотнение для высоких температур является критически важным компонентом вращающегося оборудования, работающего в условиях экстремальной жары. Эти специализированные уплотнения разработаны для того, чтобы выдерживать повышенные температуры, сохраняя при этом эффективность уплотнения, предотвращая утечки и обеспечивая надежную работу. Высокотемпературные механические уплотнения находят применение в различных отраслях промышленности, включая нефтегазовую, химическую, электроэнергетическую и аэрокосмическую.

Высокотемпературные механические уплотнения разработаны для решения уникальных задач, которые ставят среды с повышенной температурой. Они должны бороться с тепловым расширением, деградацией материала, испарением жидкости и потенциальным закоксовыванием или загрязнением компонентов уплотнения. Для решения этих проблем высокотемпературные уплотнения включают в себя такие особенности, как сбалансированные уплотнительные поверхности, плавающие компоненты и передовые комбинации материалов, которые могут выдерживать экстремальные температуры и сохранять свою размерную стабильность.

Проблемы механических уплотнений, связанные с воздействием высоких температур

Деградация материала

Повышенные температуры могут привести к деградации уплотнительных материалов, потере механических свойств и преждевременному выходу из строя. Полимеры, эластомеры и даже металлы могут размягчаться, становиться хрупкими или подвергаться химическим изменениям при высоких температурах, что ухудшает эффективность уплотнения.

Тепловое расширение и механическая деформация

Температурные колебания и градиенты могут привести к дифференциальному тепловому расширению между компонентами уплотнения и прилегающим оборудованием. Это может привести к механической деформации, потере уплотнительного контакта и появлению путей утечки.

Испарение жидкости и сухой ход

Высокотемпературные жидкости склонны к испарению, особенно на уплотняющем интерфейсе. Испарение может привести к сухому ходу, повышенному износу и отказу уплотнения. Поддержание стабильной жидкой пленки имеет решающее значение для смазки уплотнения и рассеивания тепла.

Закоксовывание и загрязнение компонентов уплотнения

Некоторые высокотемпературные жидкости, такие как углеводороды, могут подвергаться коксованию или оставлять отложения на уплотнительных поверхностях и компонентах. Коксование и загрязнение нарушают уплотнительный интерфейс, вызывают абразивный износ и ухудшают производительность уплотнения.

Ключевые факторы при выборе механических уплотнений для эксплуатации при высоких температурах

Свойства технологической жидкости

Свойства технологической жидкости играют решающую роль в определении подходящего механического уплотнения для высокотемпературного обслуживания. Ключевые соображения включают химический состав жидкости, вязкость и потенциал фазовых изменений при повышенных температурах.

Например, жидкости с высоким давлением паров могут потребовать специальных конструкций уплотнений для предотвращения испарения и удержания жидкости на уплотняющем интерфейсе. Кроме того, коррозионные или агрессивные жидкости могут потребовать использования химически стойких материалов уплотнительной поверхности и эластомеров для предотвращения преждевременного выхода из строя.

Температурные пределы уплотнительных материалов

Высокотемпературные среды могут довести уплотнительные материалы до предела своих возможностей, что делает необходимым выбор компонентов, которые могут выдерживать ожидаемые условия эксплуатации. Максимальный температурный номинал уплотнительных материалов, таких как карбид кремния, карбид вольфрама и угольный графит, должен быть тщательно оценен, чтобы убедиться, что они могут сохранять свою целостность и трибологические свойства при желаемой рабочей температуре.

Аналогичным образом, эластомеры, используемые во вторичных уплотнениях, такие как FKM, FFKM и PTFE, следует выбирать с учетом их температурной стабильности и способности сохранять свои уплотнительные свойства в условиях высоких температур.

Допустимые давления конструкций уплотнений

Номинальное давление механического уплотнения является еще одним критическим фактором в высокотемпературных применениях. Конструкции уплотнений должны выдерживать ожидаемые рабочие давления, не нарушая целостность уплотнительного интерфейса и не допуская чрезмерной утечки.

Уплотнения типа «спина к спине» и «тандем» часто используются в условиях высокого давления и высокой температуры для обеспечения дополнительной избыточности уплотнения и повышения возможностей давления. Выбор материалов уплотнительной поверхности с высокой прочностью на сжатие и использование прочных конструкций корпуса уплотнения могут дополнительно улучшить эксплуатационные характеристики давления механических уплотнений в сложных условиях высоких температур.

Скорость вращения вала и динамика оборудования

Скорость вращения оборудования и связанная с ней динамика вала могут существенно влиять на производительность механических уплотнений в условиях высоких температур. Высокие скорости вала могут генерировать повышенное тепло на уплотняющем интерфейсе из-за трения, что приводит к ускоренному износу и потенциальной тепловой деформации компонентов уплотнения.

Для смягчения этих проблем можно использовать конструкции уплотнений с улучшенными смазочными характеристиками, такими как спиральные канавки или лазерно-нанесенные рисунки на поверхности, чтобы улучшить рассеивание тепла и поддерживать стабильную пленку жидкости между поверхностями уплотнения. Кроме того, использование гибких графитовых или вторичных уплотнений Grafoil может компенсировать несоосность вала и минимизировать влияние динамики оборудования на производительность уплотнения при работе в условиях высоких температур.

Типы и конструкции механических уплотнений для высокотемпературных применений

Расположение «спина к спине»

В компоновке уплотнения «спина к спине» два механических уплотнения монтируются так, чтобы их задние пластины были обращены друг к другу. Такая конфигурация позволяет охлаждающей или барьерной жидкости циркулировать между уплотнениями, эффективно управляя рассеиванием тепла.

Уплотнения Back-to-back идеально подходят для высокотемпературных применений, где технологическая жидкость особенно горячая или где тепловое расширение компонентов является проблемой. Барьерная жидкость помогает поддерживать стабильную среду для поверхностей уплотнения, предотвращая деградацию материала и обеспечивая оптимальную производительность.

Договоренность лицом к лицу

Уплотнения лицом к лицу имеют два механических уплотнения, смонтированных так, что их уплотнительные поверхности направлены друг к другу. Такая конфигурация полезна в высокотемпературных применениях, где технологическая жидкость чистая и не представляет риска засорения или загрязнения компонентов уплотнения.

Уплотнения лицом к лицу обеспечивают эффективное рассеивание тепла через уплотнительные поверхности, поскольку охлаждающая жидкость может напрямую контактировать с обоими наборами поверхностей. Такая компоновка часто используется в сочетании с подходящим планом трубопровода для обеспечения надлежащего охлаждения и смазки уплотнительных поверхностей.

Тандемное расположение

Тандемные уплотнения состоят из двух механических уплотнений, установленных последовательно, с буферной жидкостью между ними. Такая конфигурация обеспечивает дополнительный уровень защиты от утечки и обычно используется в высокотемпературных приложениях, где технологическая жидкость опасна или чувствительна к окружающей среде.

Буферная жидкость служит для смазки и охлаждения поверхностей уплотнения, а также выступает в качестве барьера между технологической жидкостью и атмосферой. Тандемные уплотнения особенно эффективны для предотвращения испарения жидкости и сухого хода, поскольку буферная жидкость сохраняет жидкое состояние даже при повышенных температурах.

Руководство по выбору материалов для высокотемпературных механических уплотнений

Материалы лицевой стороны:

• Карбид кремния: Высокая теплопроводность, износостойкость, химическая совместимость, стойкость к тепловому удару. Подходит для температур до 1800°F (982°C).
• Карбид вольфрама: превосходная износостойкость, идеально подходит для абразивных сред.
• Углеродный графит: самосмазывающийся, термостойкий, подходит для работы в условиях сухого хода и температур до 1000°F (538°C).

Эластомеры:

• Фторэластомеры (FKM): подходят для температур до 400°F (204°C), обладают хорошей химической стойкостью.
• Перфторэластомеры (FFKM): выдерживают температуру до 600°F (316°C), обеспечивают исключительную химическую стойкость.
• Политетрафторэтилен (ПТФЭ): Отличная термостойкость, низкое трение, химическая инертность. Подходит для температур до 500°F (260°C).

Металлургия:

• Нержавеющие стали (например, 316L, 17-4PH): прочность, долговечность, устойчивость к окислению при повышенных температурах.
• Сплавы Hastelloy и Inconel: превосходная коррозионная стойкость и высокотемпературные характеристики. Идеально подходят для агрессивных химических сред и температур, превышающих 1000°F (538°C).

Вторичные уплотнения:

• Гибкий графит: Отличная герметизация, теплопроводность, химическая стойкость. Подходит для температур до 1200°F (649°C).
• Графойл: свойства, аналогичные свойствам гибкого графита, выдерживает температуру до 850°F (454°C).

Системы поддержки механических уплотнений для эксплуатации при высоких температурах

Системы барьерных и буферных жидкостей

Система барьерной жидкости вводит совместимую жидкость между уплотнительными поверхностями, создавая физический барьер между технологической жидкостью и атмосферой. Эта барьерная жидкость поддерживается под более высоким давлением, чем технологическая жидкость, предотвращая попадание технологической жидкости на уплотнительные поверхности.

Напротив, система буферной жидкости использует жидкость, которая совместима как с технологической жидкостью, так и с материалами уплотнения, но при более низком давлении, чем технологическая жидкость. Буферная жидкость помогает охлаждать и смазывать поверхности уплотнения, уменьшая выделение тепла и продлевая срок службы уплотнения.

Планы трубопроводов

Планы трубопроводов представляют собой стандартизированные схемы вспомогательного оборудования и трубопроводов, которые поддерживают механические уплотнения в различных приложениях, включая высокотемпературные. Эти планы обозначаются номерами в соответствии со стандартом Американского института нефти (API) 682. Некоторые общие планы трубопроводов для высокотемпературных механических уплотнений включают:

• План 23: Этот план использует теплообменник для охлаждения барьерной жидкости, которая циркулирует с помощью насосного кольца или внешнего насоса. Охлажденная барьерная жидкость помогает поддерживать стабильную температуру на уплотнительных поверхностях.
• План 52: В этой конструкции внешний резервуар подает буферную жидкость в камеру уплотнения через дроссельную втулку. Буферная жидкость помогает охлаждать и смазывать поверхности уплотнения, в то время как дроссельная втулка регулирует расход и поддерживает желаемый перепад давления.
• План 53A: Этот план объединяет особенности планов 52 и 23, используя внешний резервуар под давлением для подачи барьерной жидкости в уплотнительную камеру и теплообменник для охлаждения циркулирующей жидкости.
• План 54: Подобно плану 53A, этот план использует внешний резервуар под давлением и теплообменник, но также включает дроссельную втулку с малым зазором для управления потоком затворной жидкости и поддержания перепада давления.