Что такое механическое уплотнение высокого давления?

Что такое механическое уплотнение высокого давления?

Механическое уплотнение высокого давления является критически важным компонентом в оборудовании, которое работает в условиях экстремального давления, обычно выше 50 бар (725 фунтов на кв. дюйм). Эти уплотнения предназначены для предотвращения утечки жидкостей или газов из оборудования, выдерживая при этом огромные силы, создаваемые средами высокого давления.

Основная функция механического уплотнения высокого давления — поддерживать надежный барьер между технологической жидкостью и атмосферой даже в самых сложных условиях. Эти уплотнения состоят из двух основных компонентов: неподвижной части (статора) и вращающейся части (ротора), которые прижимаются друг к другу сочетанием гидравлических и пружинных сил. Уплотнительные поверхности обычно изготавливаются из твердых износостойких материалов, таких как карбид кремния, карбид вольфрама или керамика, которые могут выдерживать высокие давления и температуры, возникающие в этих приложениях.

Как работают механические уплотнения высокого давления

Принцип работы механических уплотнений высокого давления основан на создании тонкой жидкой пленки между неподвижными и вращающимися уплотнительными поверхностями. При вращении вала уплотнительные кольца прижимаются друг к другу за счет комбинации силы пружины и гидравлического давления технологической жидкости. Это давление приводит к утечке небольшого количества технологической жидкости между уплотнительными поверхностями, создавая тонкую, стабильную жидкую пленку, которая смазывает и охлаждает поверхности, предотвращая дальнейшую утечку.

Жидкостная пленка между уплотнительными поверхностями поддерживается за счет тонкого баланса между гидравлическим давлением, силой пружины и точной геометрией уплотнительных поверхностей. Уплотнительные поверхности притираются до очень высокой плоскостности, обычно в пределах 2-3 полос гелия (0,22-0,33 мкм), чтобы обеспечить равномерный контакт и минимизировать утечку. Вращающееся уплотнительное кольцо обычно устанавливается на валу с помощью гибкого сильфона или другого вторичного уплотнительного элемента, который компенсирует незначительное смещение вала и осевое перемещение, сохраняя при этом уплотнение.

Какой тип механического уплотнения используется для применений с высоким давлением?

Лицом к лицу

В конфигурации «лицом к лицу» два механических уплотнения устанавливаются так, чтобы их уплотнительные поверхности были направлены друг к другу. Такая конфигурация обычно используется в условиях высокого давления, поскольку она уравновешивает гидравлические силы, действующие на уплотнительные поверхности, уменьшая чистую силу закрытия и тепловыделение. Уплотнения «лицом к лицу» также обеспечивают определенную степень избыточности, поскольку второе уплотнение может действовать как резервное, если первичное уплотнение выходит из строя.

Спина к спине

Уплотнения Back-to-back расположены так, что их уплотнительные поверхности направлены в противоположные стороны, а пространство между уплотнениями обычно заполнено буферной жидкостью под более высоким давлением, чем технологическая жидкость. Такая компоновка используется, когда технологическая жидкость опасна, токсична или чувствительна к окружающей среде, поскольку любая утечка из первичного уплотнения удерживается буферной жидкостью и вторичным уплотнением. Уплотнения Back-to-back требуют отдельной системы буферной жидкости и дополнительных трубопроводов и приборов.

Тандем (или лицом к спине)

Тандемные уплотнения, или уплотнения лицом к спине, сочетают в себе элементы конфигураций лицом к лицу и спиной к спине. В этой конфигурации два уплотнения устанавливаются с лицевыми сторонами, ориентированными в противоположных направлениях, причем первичное уплотнение обращено к технологической жидкости, а вторичное — от нее. Пространство между уплотнениями обычно вентилируется в безопасное место или подключается к системе буферной жидкости с более низким давлением, чем технологическая жидкость. Тандемные уплотнения обеспечивают как преимущества выравнивания давления уплотнений лицом к лицу, так и функции безопасности и сдерживания уплотнений спиной к спине.

Факторы, влияющие на производительность механического уплотнения высокого давления

Давление технологической жидкости на уплотнительные поверхности

По мере увеличения давления жидкости также увеличивается сила закрытия на уплотнительных поверхностях, что приводит к более высоким нагрузкам на поверхности, повышенному выделению тепла и потенциально более быстрому износу. Чтобы противодействовать этим эффектам, уплотнения высокого давления часто включают в себя такие функции, как балансировочные отверстия, канавки или отверстия на уплотнительных поверхностях, чтобы уменьшить эффективную силу закрытия и поддерживать стабильную пленку жидкости.

Контроль температуры в камере герметизации

Высокие температуры могут вызвать тепловое расширение компонентов уплотнения, что приводит к увеличению лобовых нагрузок и износа. Избыточное тепло также может ухудшить смазочные свойства жидкой пленки, увеличивая трение и риск выхода уплотнения из строя. Для смягчения этих проблем уплотнения высокого давления часто включают охлаждающие рубашки, теплообменники или термосифонные системы для отвода тепла из камеры уплотнения и поддержания стабильной рабочей температуры.

Правильная смазка и охлаждение уплотнительных поверхностей

Пленка жидкости между поверхностями уплотнения действует как смазка и охлаждающая жидкость, отводя тепло трения и предотвращая прямой контакт между поверхностями. Для обеспечения адекватной смазки и охлаждения уплотнения высокого давления могут включать такие элементы, как спиральные канавки, радиальные щели или микроструктуры на поверхностях уплотнения, способствующие циркуляции жидкости и рассеиванию тепла. Выбор материалов для поверхностей уплотнения с хорошей теплопроводностью и самосмазывающимися свойствами, таких как карбид кремния или материалы с графитовым наполнителем, также может улучшить смазочные и охлаждающие характеристики.

Системы поддержки для механических уплотнений высокого давления

Механические уплотнения высокого давления требуют специализированных систем поддержки для обеспечения оптимальной производительности и долговечности. Эти системы помогают поддерживать стабильные рабочие условия, предотвращать отказ уплотнения и продлевать срок службы уплотнений. Одним из важнейших компонентов является API Plan 52, который использует резервуар буферной жидкости для обеспечения чистой, прохладной и напорной среды для уплотнений.

Система API Plan 52 циркулирует совместимую буферную жидкость, например, гликоль или масло, через уплотнительную камеру под давлением, превышающим давление технологической жидкости. Этот положительный перепад давления предотвращает попадание технологической жидкости в уплотнительную камеру, минимизируя загрязнение и продлевая срок службы уплотнения. Система также помогает рассеивать тепло, выделяемое уплотнениями, поддерживая стабильную рабочую температуру.

Другие важные системы поддержки для механических уплотнений высокого давления включают в себя:

1. Правильная смазка уплотнительной поверхности: Адекватная смазка имеет решающее значение для снижения трения и износа поверхностей уплотнения. Этого можно добиться с помощью барьерных жидкостей, таких как масло или смазка, или путем включения смазочных свойств в конструкцию уплотнения.
2. Контроль температуры: Поддержание постоянной температуры в камере уплотнения имеет решающее значение для предотвращения тепловой деформации и обеспечения надлежащего выравнивания поверхности уплотнения. Это может быть достигнуто с помощью охлаждающих рубашек, теплообменников или блоков контроля температуры.
3. Мониторинг давления: Постоянный мониторинг давления в уплотнительной камере помогает обнаружить любые аномалии или утечки, что позволяет своевременно проводить техническое обслуживание и предотвращать катастрофические отказы.

Применение механического уплотнения высокого давления

• Центробежные насосы: Механические уплотнения высокого давления используются в центробежных насосах, перекачивающих жидкости под высоким давлением, например, в насосах для подачи питательной воды в котлы, трубопроводных насосах и нагнетательных насосах в нефтяных и газовых скважинах.
• Компрессоры: Механические уплотнения используются в компрессорах высокого давления для таких газов, как водород, природный газ и углекислый газ, а также в холодильных компрессорах, использующих хладагенты высокого давления.
• Турбины: Уплотнения высокого давления используются в паровых и газовых турбинах для предотвращения утечки пара высокого давления или продуктов сгорания из корпуса турбины.
• Реакторы и сосуды под давлением: Механические уплотнения используются в мешалках, смесителях и другом вращающемся оборудовании в реакторах высокого давления и сосудах высокого давления в химической перерабатывающей и нефтехимической промышленности.
• Подводное оборудование: Уплотнения высокого давления являются важнейшими компонентами подводного нефтегазодобывающего оборудования, такого как подводные насосы, компрессоры и клапаны, где они должны выдерживать экстремальные давления и суровые условия окружающей среды.
• Системы водоснабжения высокого давления: Механические уплотнения используются в водяных насосах и клапанах высокого давления в таких областях применения, как опреснение методом обратного осмоса, очистка под высоким давлением и гидроабразивная резка.

Часто задаваемые вопросы

Каков предел давления для механических уплотнений?

Как правило, стандартные механические уплотнения могут выдерживать давление до 20 бар (290 фунтов на кв. дюйм), тогда как уплотнения высокого давления рассчитаны на давление от 20 до 200 бар (от 290 до 2900 фунтов на кв. дюйм) и выше.