Виды повреждений торцевых уплотнений вала

Причины повреждения торцевого уплотнения и его влияние на работу насоса. Торцевое уплотнение вала — один из наиболее уязвимых элементов насосного оборудования, а его выход из строя часто становится основной причиной простоя насоса

Состояние уплотнения напрямую зависит от условий эксплуатации. В процессе работы рабочие параметры могут изменяться, становясь отличными от расчетных значений, на которые было спроектировано как само уплотнение, так и насос. Это приводит к ускоренному износу и возможному повреждению уплотнительных элементов

Схемы и статистические данные подтверждают, что неисправности уплотнения вала являются наиболее частой причиной отказа насоса, что подчеркивает важность правильного выбора и контроля условий эксплуатации

Характер повреждений торцевого уплотнения во многом определяется его конструкцией и материалами контактных поверхностей

Для кольцевых уплотнений с динамическим уплотнительным кольцом, где одна из поверхностей выполнена из угольного графита, наиболее распространёнными дефектами являются:

Износ уплотнительных поверхностей, приводящий к ухудшению герметизации

Заедание уплотнения, препятствующее осевому перемещению динамического кольца

В случае торцевых уплотнений с твёрдосплавными поверхностями основной причиной выхода из строя является работа без достаточной смазки, что приводит к перегреву и разрушению контактных элементов

Для точного определения причин повреждения уплотнения необходимо анализировать условия работы насоса. Хотя визуальный осмотр поврежденного узла позволяет выявить характер дефекта, истинная причина поломки зачастую кроется в особенностях эксплуатации оборудования. Поэтому все данные о работе уплотнения должны фиксироваться в отчёте о повреждении, чтобы предотвратить повторные неисправности

Эффективность работы торцевых уплотнений с твердыми поверхностями во многом зависит от смазки перекачиваемой жидкостью. Недостаточная смазка или ее полное отсутствие могут привести к серьезным повреждениям

Отсутствие смазочной пленки возникает, если:

В зоне уплотнения или в насосе нет рабочей жидкости

Наблюдается недостаточная вентиляция, вызывающая скопление воздуха вокруг уплотнения

Повреждение поверхности, возникающее под воздействием высоких температур на вторичные уплотнительные элементы, изготовленные из EPDM и FKM

В таких условиях трение между контактирующими поверхностями резко возрастает, что приводит к быстрому повышению температуры. При отсутствии жидкостного охлаждения тепло накапливается в уплотнительных элементах, что может привести к нагреву твердых поверхностей до нескольких сотен градусов Цельсия всего за несколько минут

Наиболее характерное повреждение в таких случаях — термический обжиг эластомерных элементов, возникающий в точках их соприкосновения с перегретыми поверхностями уплотнения. Это приводит к их деформации, потере эластичности и преждевременному выходу из строя

Глубокие термические трещины на поверхности уплотнения возникшие вследствие недостаточной смазки

Так же, как и при работе без смазки, недостаточное количество смазочной жидкости может привести к перегреву и повреждению уплотнения. Недостаточная смазка возникает, когда перекачиваемая жидкость обладает низкой вязкостью или ее температура превышает точку кипения при атмосферном давлении

В таких условиях выделяемое при трении тепло концентрируется на небольших участках уплотнительных поверхностей, вызывая локальное повышение температуры. Чередование зон нагрева и охлаждения приводит к появлению радиальных термических трещин, которые со временем ослабляют материал уплотнения и ускоряют его износ

При отсутствии или недостатке смазки торцевое уплотнение с твердыми поверхностями может издавать характерные шумы во время работы. Их частота и интенсивность зависят от конструкции уплотнительной системы, состава материалов и режима работы насоса. Шум может быть постоянным либо проявляться периодически

Кроме того, возникающие вибрации отдельных компонентов уплотнения способны ускорять его износ, сокращая срок службы. Особенно подвержены этому явлению металлические сильфонные уплотнения, которые со временем могут разрушаться под воздействием усталостных напряжений, вызванных вибрацией

Перекачиваемая среда нередко содержит смеси жидкостей, растворы твердых веществ и мелкие нерастворимые частицы во взвешенном состоянии

В условиях значительных перепадов температуры, давления и скорости смазочная пленка в зазоре уплотнения подвергается интенсивным нагрузкам. Это может привести к образованию осадка непосредственно в зазоре уплотнения или в его непосредственной близости, что увеличивает риск нарушения герметичности и ускоренного износа уплотнительных элементов

Заклинивание торцевого уплотнения — это состояние, при котором вращающаяся часть уплотнения вала теряет свободу осевого движения. Данный дефект наиболее часто встречается в кольцевых уплотнениях, однако может проявляться и в сильфонных конструкциях, хотя причины возникновения в них различны

В случае сильфонных уплотнений из резины, эксплуатация при температуре, близкой к максимальному допустимому значению, может привести к прилипанию внутренних поверхностей компенсатора к валу, что вызывает заклинивание. Особенно подвержены этому эластомерные материалы, такие как FKM, которые обладают склонностью к адгезии с нержавеющей сталью

Определить заклинивание после разборки узла бывает затруднительно, поскольку сам факт блокировки уплотнения часто выявляется уже после его демонтажа

Некоторые суспензии и растворы способны провоцировать образование отложений на поверхностях уплотнений. Поскольку эти отложения локально покрывают лишь часть контактных поверхностей, уплотнительный зазор начинает расширяться, что приводит к постепенному увеличению утечек через уплотнение вала. Изначально объем утечки незначителен, но по мере попадания жидкости в зазор процесс разгерметизации ускоряется

Кроме того, осаждение отложений усиливается из-за повышения температуры на уже сформировавшихся слоях, что еще больше усугубляет ситуацию и может привести к полному выходу уплотнения из строя

Отложения на поверхности уплотнения из угольного графита

Перекачиваемая жидкость может содержать взвешенные частицы и волокна, что приводит к оседанию загрязнений на пружинах, компенсаторах, оправках и уплотнительных кольцах, ограничивая их подвижность и функциональность. Со временем это может привести к образованию отложений и повреждению уплотнительных элементов. Процесс осаждения зависит от состава жидкости и параметров потока в зоне уплотнения

В редких случаях металлические сильфонные уплотнения могут настолько покрыться отложениями, что это нарушит работу компенсатора, лишая его способности функционировать как осевая пружина. При изменении рабочих условий, требующих сжатия компенсатора, загрязненное уплотнение может разгерметизироваться

Чрезмерное накопление осадков увеличивает усилие замыкания уплотнения, что создает избыточные механические нагрузки на его компоненты. В итоге детали могут деформироваться, а недостаточная смазка приведет к ускоренному износу и снижению надежности системы

Металлическое сильфонное уплотнение, покрытое отложениями известкового налета

Даже небольшие твердые включения на поверхностях уплотнений значительно ускоряют износ, особенно если используется сочетание материалов твердый/мягкий. В таких случаях твердые частицы вдавливаются в мягкую поверхность, превращая ее в абразив, воздействующий на более жесткий элемент, как шлифовальный инструмент

Попадание посторонних частиц в зазор между уплотнительными поверхностями приводит к увеличению утечек, пока частица не будет измельчена и выведена из системы

Пример влияния загрязнений на герметичность

Чтобы продемонстрировать влияние посторонних включений, сравним их размеры с рабочим зазором уплотнения:

Толщина человеческого волоса составляет 50–100 мкм

Рабочий зазор исправного уплотнения при стандартных условиях — 0,3 мкм

Таким образом, волос толщиной 60 мкм превышает рабочий зазор в 200 раз. Поскольку степень утечки пропорциональна кубу увеличения зазора, если волос застрянет между контактными поверхностями, утечка возрастет в 8 000 000 раз по сравнению с чистым уплотнением

Этот пример показывает, насколько критично даже минимальное загрязнение для сохранения герметичности уплотнительных узлов

Заедание происходит, когда две уплотнительные поверхности частично прилипают или сцепляются между собой. Если сила сцепления превышает пусковой крутящий момент двигателя, это может привести к повреждению уплотнения или механическому разрушению его компонентов

Основные причины заедания

Наибольшая склонность к заеданию наблюдается у уплотнений, в которых используются две твердые поверхности. Основные факторы, вызывающие этот процесс:

Отложения липких компонентов из перекачиваемой жидкости

Коррозия уплотнительных поверхностей

Высокие температуры, ускоряющие процесс сцепления

Заедание возможно только в насосах, работающих в режиме пуск/остановка. Время, необходимое для склеивания уплотнительных колец, варьируется от нескольких часов до более длительных периодов в зависимости от свойств перекачиваемой среды. При повышенных температурах этот процесс значительно ускоряется

Компоненты торцевого уплотнения должны быть устойчивыми к химическим и физическим воздействиям рабочей среды, что обеспечивает их надежную работу на протяжении всего срока эксплуатации

Высокие температуры и чрезмерные химические или механические нагрузки существенно сокращают срок службы уплотнений, ускоряя их износ. Эффективное функционирование возможно только в пределах установленных диапазонов температур и нагрузок. Превышение этих значений неизбежно приводит к повреждениям, а в некоторых случаях — к быстрому разрушению

Типы повреждений эластомерных компонентов

Детали из эластомеров особенно подвержены следующим видам повреждений:

Газовые раковины

Трещины и полости

Обесцвечивание материала

В ряде случаев дефекты можно выявить только с помощью измерений физических характеристик. Воздействие недопустимых химических веществ или экстремальных температур нередко приводит к полному разрушению уплотнительного узла

Набухание эластомеров — это процесс увеличения объема и уменьшения жесткости, происходящий из-за поглощения растворителя. Степень увеличения объема определяется характеристиками материала, типом и концентрацией растворителя, температурой и временем воздействия. В некоторых случаях объем резиновых деталей может увеличиваться в два раза

Уплотнительное кольцо из EPDM в новом состоянии (фото 1) и набухшее кольцо из EPDM (фото 2), подвергшееся воздействию воды с примесью минерального масла

Функциональность уплотнений напрямую зависит от геометрии резиновых элементов, поэтому даже небольшие изменения размеров способны повлиять на их работу. Снижение жесткости связано с изменением механических характеристик материала

EPDM особенно подвержен набуханию под воздействием минеральных масел. Этот процесс происходит независимо от концентрации масла в воде, однако меньшая концентрация увеличивает срок службы уплотнения. Другие эластомеры также склонны к набуханию при взаимодействии с определенными жидкостями

Набухание — лишь один из признаков несовместимости материала с рабочей средой. Влияние жидкостей может проявляться в изменении таких характеристик, как прочность на разрыв, относительное удлинение и твердость. Повышенная температура и длительное воздействие усиливают негативное влияние и ускоряют разрушение материала

С течением времени материал торцевого уплотнения подвержен старению, что приводит к изменению его физических характеристик, таких как прочность на разрыв и твердость. Существует два основных типа старения:

Старение при хранении

Атмосферное старение

Старение при хранении связано с разложением материала в результате окисления. Помимо кислорода, к окислению могут приводить такие факторы, как тепло, воздействие света, механические нагрузки или напряжения, а также контакт с активно окисляющимися металлами

Атмосферное старение, напротив, вызвано воздействием озона. Этот процесс отличается по механизму: если резина находится под нагрузкой, на ее поверхности могут появляться трещины, расположенные перпендикулярно направлению растяжения. Такой тип растрескивания особенно заметен на старых велосипедных или автомобильных шинах, где трещины образуются в местах наибольшей деформации

Взрывная декомпрессия возникает на поверхности полимерных деталей в виде вздутий, ямок или выбоин. Это происходит, когда перекачиваемая жидкость имеет высокое парциальное давление газовой фазы, и газ проникает в структуру резины

При снижении давления, если газ, впитанный резиной, не успевает высвобождаться с той же скоростью, с которой падает внешнее давление, внутри материала возникает избыточное давление. Когда это внутреннее давление превышает прочностные характеристики эластомера, происходит разрыв, вызванный декомпрессией

Эластомеры с высокой растворимостью газа и низкой механической прочностью наиболее подвержены такому типу повреждений

На металлических компонентах уплотнений коррозия встречается редко, особенно в насосах из нержавеющей стали. Это связано с тем, что детали уплотнений обычно изготавливаются из высококачественной нержавеющей стали, более устойчивой к коррозии, чем другие металлические элементы насоса

Коррозионные процессы оказывают значительное влияние на долговечность и эффективность торцевых уплотнений. Выбор материалов, устойчивых к рабочей среде, является ключевым фактором для предотвращения повреждений и поддержания надежной работы оборудования

Поверхности торцевых уплотнений обычно изготавливаются из композитных материалов, которые должны быть устойчивы к воздействию перекачиваемой жидкости. Это помогает предотвратить избирательную коррозию, при которой повреждаются отдельные компоненты материала

Избирательная коррозия цементированного карбида вольфрама

Коррозия цементированного карбида вольфрама происходит из-за воздействия на металлическое связующее вещество, что приводит к ухудшению механических характеристик материала, включая снижение износостойкости

Когда металлическое связующее полностью разрушено:

Поверхность уплотнения становится матовой

Появляются напряжения, вызывающие трещины на уплотнительных кольцах

Места, подвергшиеся коррозии, подвержены сильной эрозии, особенно в насосах из нержавеющей стали

На керамических материалах, таких как оксид алюминия, коррозия может приводить к растворению или окислению стеклофазы. Это вызывает:

Увеличение пористости поверхности

Снижение механической прочности

Потерю износостойкости

В зависимости от типа материала и состава перекачиваемой жидкости, повреждения могут варьироваться от незначительного снижения прочности до полного разрушения

Поскольку толщина смазочной пленки близка к значению шероховатости поверхности, на уплотнительных поверхностях неизбежно возникает небольшой износ. В нормальных условиях этот износ настолько незначителен, что уплотнение может оставаться работоспособным на протяжении многих лет

Лишь в редких случаях износ становится причиной проблем. Однако, даже при износе в пределах 0,5–1 мм, уплотнения сохраняют свою эффективность, при условии, что осевая гибкость уплотнительного кольца не нарушена

Глубокие борозды на поверхности уплотнения, расположенной со стороны перекачиваемой жидкости, указывают на попадание твердых частиц из рабочей среды в зазор уплотнения. Борозды, появляющиеся со стороны атмосферы, свидетельствуют о формировании твердых отложений в местах испарения смазочной пленки

Повреждения торцевых уплотнений часто возникают из-за неправильной установки или эксплуатации. К числу таких причин относятся несоосность вала, установка «седле» под углом к валу, неверная монтажная длина и другие ошибки

Положение и ширина износных следов на «седле» уплотнения могут указывать на характер проблемы:

Если ширина износного следа соответствует следу на поверхности скольжения противоположного уплотнительного кольца, это свидетельствует о хорошей центровке уплотнения. Если след на «седле» шире, чем поверхность скольжения вращающейся детали, это указывает на сильное отклонение от оси вала

Другая возможная причина — дисбаланс вращающегося элемента. Неравномерная глубина износных следов на «седле» указывает на его установку под наклоном

Корректная установка и эксплуатация торцевого уплотнения необходимы для предотвращения подобных повреждений и обеспечения длительного срока службы оборудования

Неправильная установка «седла» под наклоном может привести к усиленному износу вращающейся поверхности уплотнения. Обычно это сопровождается появлением осевых царапин на внутренней стороне уплотнения, что указывает на движение вала или муфты относительно уплотнительной конструкции. Причинами этого могут быть:

Осевое смещение вала, вызванное вибрацией

Нарушение перпендикулярности «седла» относительно вала

Осевое смещение, связанное с вибрацией или наклоном «седла», становится причиной повреждений вала или муфты в зоне контакта с уплотнением. Постоянное трение разрушает защитный оксидный слой на поверхности вала, что провоцирует коррозию и ускоряет процесс износа. Корректная установка «седла» с соблюдением всех технических требований является ключевым условием для продления срока службы уплотнения и сохранения его работоспособности

При установке торцевого уплотнения на вращающийся вал, осевое движение вала не должно превышать допустимую гибкость уплотнения. Если осевое смещение вала превышает эту гибкость, это может привести к увеличенному износу уплотнения или необратимому повреждению отдельных элементов уплотнительной системы

Многие уплотнения вала имеют стандартную монтажную длину, что позволяет заменять одно уплотнение на другое с улучшенными рабочими характеристиками, подходящими для конкретных условий. Однако, даже если два уплотнения имеют одинаковую монтажную длину, поверхности скольжения могут располагаться на разных уровнях. Использование компонентов от разных уплотнений может привести к недостаточному или чрезмерному сжатию, что нарушит эффективность работы уплотнительной системы

В процессе работы насоса условия могут немного отличаться от первоначально предусмотренных при проектировании. Эти отклонения могут повлиять на производительность уплотнения

На функциональные характеристики торцевого уплотнения оказывают влияние такие факторы, как:

Давление в камере уплотнения

Температура в камере уплотнения

Состав и свойства перекачиваемой жидкости

Скорость вращения вала

Размеры уплотнительных элементов

Если эти параметры не соответствуют рекомендованным значениям, это может привести к выходу уплотнения из строя или его повреждению, что, в свою очередь, нарушит нормальную работу системы и сократит срок службы оборудования

Давление со стороны перекачиваемой жидкости должно быть в пределах, соответствующих характеристикам уплотнения, используемым материалам и типу перекачиваемой жидкости

Когда давление на уплотнение вала превышает допустимые пределы, это может вызвать увеличение трения между уплотнительными поверхностями, что приведет к повреждениям или разрушению вторичных уплотнений. Одним из наиболее распространенных признаков повреждений в таких условиях является выдавливание уплотнительных колец

Когда температура перекачиваемой жидкости приближается к максимальному эксплуатационному пределу для резины, материал начинает размягчаться, что может привести к экструзии

В нормальных условиях эксплуатации трение между уплотнительными поверхностями вызывает повышение температуры в области уплотнения, которая всегда будет выше, чем температура самой жидкости. Обычно повышение температуры составляет от 10 до 20 К

В характеристиках уплотнения всегда указывается фактическая температура эксплуатации, что важно учитывать при проектировании системы. Превышение допустимой температуры эксплуатации может привести к повреждению эластомеров и недостаточной смазке уплотнения, что негативно влияет на его работоспособность и срок службы

Повреждение уплотнения может произойти, если в насосе есть жидкость, но клапан закрыт

Под действием трения в уплотнении вала и из-за вихревого движения жидкости вокруг рабочих колес генерируется тепло, что приводит к повышению температуры внутри насоса. Это повышение температуры может нанести ущерб эластомерным элементам уплотнения вала

Кроме того, высокие температуры создают дополнительный риск работы без смазки, поскольку отсутствует необходимый поток жидкости через насос и камеру уплотнения, что может привести к недостаточному смазыванию

В зависимости от конструкции уплотнения вала, условий эксплуатации и свойств перекачиваемой жидкости, может возникнуть скопление воздуха вокруг уплотнительного элемента. Недостаточная вентиляция, приводящая к работе без смазки, как в постоянном, так и в периодическом режиме, оказывает разрушительное влияние на срок службы большинства торцевых уплотнений

Механические вибрации увеличивают нагрузку на все компоненты торцевого уплотнения вала, что приводит к ускоренному износу деталей. В таких условиях на кольцах уплотнений могут появляться сколы, а также возможно образование отверстий в зазоре уплотнения

Вибрации возникают из-за трения между уплотнительными поверхностями, особенно если эксплуатационные условия нарушены. Часто вибрации являются результатом износа подшипников или проблем с распределением потока жидкости в системе

Если на «седле» уплотнения появляются широкие следы износа, это может свидетельствовать о наличии радиальных вибраций вала, что требует дополнительной проверки состояния системы