Uszczelnienia czołowe stosowane są w wielu rozwiązaniach konstrukcyjnych węzłów uszczelniających maszyn i urządzeń. Znajdują zastosowanie niemal w każdej grupie maszyn obrotowych, tam gdzie ma miejsce uszczelnianie przepustów wałów obrotowych. Możn spotkać ogromną różnorodność rozwiązań konstrukcyjnych, wykonanych z różnych materiałów (schemat 1).
Schemat 1. Uszczelnienie czołowe typu wewnętrznego[1]: a) schemat, b) wygląd rzeczywisty,
1 – pierścień ślizgowy oporowy,
2 – pierścień pomocniczy statyczny typu O-ring,
3 – pierścień ślizgowy osiowo-przesuwny (obrotowy),
4 – pierścień pomocniczy dynamiczny typu O-ring,
5 – sprężyna,
6 – kołek zabezpieczający pierścień oporowy przed obrotem,
7 – pokrywa dławnicy
Użytkownicy maszyn chętnie stosują uszczelnienia czołowe ze względu na ich zalety eksploatacyjne, do których należą między innymi prawie całkowity brak przecieków, małe straty mocy wywołane tarciem, brak potrzeby przeprowadzania zabiegów konserwacyjnych oraz szeroki obszar zastosowań. Jak wynika jednak z danych zawartych w niektórych opracowaniach [2, 3] oraz wiedzy warsztatowej, uszczelnienia te należą do jednych z najbardziej zawodnych elementów maszyn (wykres 1).
Przyczyny powstawania uszkodzeń uszczelnień czołowych są różnorodne i zależą od wielu czynników, rzadko jednak są analizowane – wyjątkiem jest przemysł petrochemiczny. Użytkownicy preferują wymianę uszczelnienia na nowe bez analizy przyczyn utraty przydatności lub możliwości zastosowania innego rozwiązania. Tego rodzaju postępowanie wynika między innymi z braku odpowiednich procedur zbierania danych o uszkodzeniach uszczelnień lub po prostu nieodpowiedniego ich gromadzenia. Zbierane dane często są niewłaściwie segregowane, co uniemożliwia dalszą ich analizę lub porównanie z danymi zebranymi w innych zakładach przemysłowych.
Celem artykułu jest przedstawienie wstępnej klasyfikacji uszkodzeń uszczelnień czołowych, która ma za zadanie ułatwić gromadzenie danych dotyczących uszkodzeń uszczelnień oraz późniejszą ich analizę.
Utrata funkcji uszczelnienia
Uszkodzenia uszczelnień można podzielić, w zależności od utraty funkcji uszczelniania, na:
-
usuwalne (czasowe, chwilowe), które prowadzą do chwilowej utraty funkcji uszczelniania, a obiekt powraca do pełnego wypełniania swoich funkcji zaraz po uszkodzeniu,
-
trwałe, które prowadzą do niespełniania funkcji uszczelniania i trwają tak długo, aż dane uszczelnienie nie zostanie zastąpione nowym lub naprawione.
Uszkodzenia usuwalne są dość charakterystyczne dla uszczelnień czołowych i prowadzą do wystąpienia chwilowych przecieków. Przykładowo, powierzchnie pierścieni zostają uszkodzone na skutek wniknięcia zanieczyszczeń w przestrzeń szczeliny uszczelnienia. Następnie szczelina zwiększa się i następuje wzrost przecieków. Stopniowo większe zanieczyszczenia zostają
wydalone ze szczeliny, zachodzi docieranie obszarów, spadek przecieków, a nawet zanik. Do chwilowej utraty zdatności uszczelnień może dojść także na skutek tzw. uderzeń hydraulicznych lub rozruchu pompy w stanie zimnym, kiedy to możliwe jest chwilowe rozsunięcie się powierzchni uszczelniających.
Charakter pojawiania się uszkodzeń
Ze względu na charakter pojawiania się uszkodzenia można podzielić na:
-
nagłe,
-
stopniowe.
Do nagłych zaliczamy uszkodzenia, których nie można przewidzieć. Uszkodzenia te mogą mieć dwojaki wpływ na zdolność do poprawnej pracy uszczelnień czołowych. Mogą one spowodować natychmiastową utratę przydatności, przez co uszczelnienie musi zostać natychmiast wyłączone z eksploatacji. Mogą jednak istnieć uszkodzenia nagłe, które nie powodują całkowitej nieprzydatności. Ważne jest jednak, aby obsługa we właściwy sposób zareagowała na zdarzenie, ponieważ uszczelnienie może osiągnąć stan graniczny, a następnie stan nieprzydatności w wyniku kumulacji uszkodzeń. Uszkodzenia stopniowe powstają na skutek kumulowania się pewnych bodźców, a ich stopniowy rozwój powinien umożliwić przewidzenie momentu wystąpienia takiego uszkodzenia. Do uszkodzeń stopniowych zaliczamy między innymi zużycie pierścieni ślizgowych lub uszczelnień pomocniczych.
Wpływ uszkodzenia na działanie urządzenia
Uszkodzenia uszczelnień mogą w różnym stopniu oddziaływać na pracę systemu. Klasyfikacja uszkodzeń ze względu na ich wpływ na działanie urządzenia, a tym samym na możliwość szybkiego podjęcia decyzji dotyczącej dalszych losów uszczelnienia, jest następująca:
-
krytyczne – każde uszkodzenie, które wyklucza dalsze użytkowanie uszczelnienia,
-
ważne – każde uszkodzenie, które wymaga niezwłocznego podjęcia decyzji związanych z przywróceniem przydatności uszczelnienia,
-
marginalne – każde uszkodzenie, powodujące, że podjęcie działań związanych z przywróceniem przydatności może być odłożone w czasie.
Oddziaływanie uszkodzeń jest zwykle klasyfikowane, zaczynając od najpoważniejszych konsekwencji, jakie mogą mieć dla bezpieczeństwa, środowiska lub eksploatacji obiektu.
Objawy utraty przydatności:
-
przeciek oraz jego cechy charakterystyczne:
-
ciągły przeciek o stałej wartości,
-
ciągły przeciek o zmiennej wartości,
-
nieciągły przeciek
-
efekty akustyczne
Rodzaje przecieków
Poprawnie funkcjonujące uszczelnienia czołowe charakteryzują się bardzo małymi, praktycznie niezauważalnymi przeciekami, większość których natychmiast odparowuje. Pojawiający się przeciek może stanowić dobre źródło informacji o rodzaju uszkodzenia uszczelnienia. Graficzny obraz rodzajów przecieków będących następstwem uszkodzeń
przedstawiono na schemacie 2.
Schemat 2. Rodzaje przecieków uszczelnienia czołowego; Q – przeciek, Qdo – dopuszczalna wartość przecieku (opis w tekście)
Ciągły przeciek o stałej wartości związany jest przede wszystkim z uszkodzeniem uszczelnień pomocniczych, czyli pęknięciem, nacięciem lub trwałym ich odkształceniem. Uszkodzony może być również rowek, w którym osadzono uszczelnienie pomocnicze. Uszkodzenie to może powstać na skutek gwałtownego usunięcia uszczelnienia ostrym narzędziem i zadrapania powierzchni rowka. Przeciek ciągły, ale zmienny, charakterystyczny jest dla uszkodzeń pierścieni ślizgowych. Nierównomiernie zużywające się powierzchnie pierścieni na skutek ich odkształceń mechanicznych lub cieplnych powodują pojawienie się zmiennego przecieku. Ich przyczyną jest również zużycie ścierne powstałe na skutek wniknięcia zanieczyszczeń w przestrzeń uszczelniającą. Zanieczyszczenia w przestrzeni elementu sprężystego są z kolei przyczyną blokowania swobodnego ruchu pierścienia obrotowego i wystąpienia nierównomiernego przecieku. Przeciek nieciągły jest charakterystyczny przede wszystkim dla uszkodzeń przejściowych. Występuje wraz ze zmianą temperatury lub ciśnienia w dławnicy, które odpowiednio mogą powodować odparowanie cieczy z przestrzeni uszczelniającej i zmianę warunków pracy lub chwilowe rozszczelnienie i wniknięcie zanieczyszczeń. Podwyższona temperatura może przyczyniać się również do odkształceń sprężystych elementów elastycznych i chwilowych przecieków. Przeciek nieciągły – III linia przerywana, zdarza się dość często przy rozruchu pompy transportującej czynniki charakteryzujące się zmianą stanu skupienia na skutek zmiany temperatury. Zakrzepnięty lub skrystalizowany czynnik znajdujący się w przestrzeni dławnicy blokuje swobodny ruch uszczelnienia zanim nie zmieni swojego stanu skupienia pod wpływem temperatury. Zjawisko to może być przyczyną trwałego uszkodzenia uszczelnienia. Natomiast przeciek nieciągły – zaznaczony linią nieprzerywaną, charakterystyczny jest dla zużycia pierścieni ślizgowych, np. zużycia ściernego. Zanieczyszczenia pochodzące z uszczelnianego czynnika, trafiając w przestrzeń uszczelniającą, są przyczyną niszczenia powierzchni ślizgowych. Jednak ulegając rozdrobieniu, zostają wydalone z przestrzeni uszczelniającej i przy odpowiednich warunkach pracy uszczelnienia powierzchnie te mogą zostać dotarte i uszczelnienie może ponownie poprawnie spełniać swoją funkcję.
Efekty akustyczne
Kolejnymi objawami świadczącymi o niesprawności uszczelnień są efekty akustyczne. W poprawnie funkcjonującym uszczelnieniu odgłos pracy uszczelnienia jest niesłyszalny na tle szumu urządzenia, w którym pracuje. Jednak w razie awarii – np. dostania się znacznych zanieczyszczeń do przestrzeni dławnicy, całkowite zużycie powierzchni pierścienia, poluzowanie lub zgięcie wkrętów mocujących uszczelnienie do wału, wirowanie pierścienia oporowego – odgłosy te stają się łatwe do zidentyfikowania.
Czas powstawania
Kolejny podział uszkodzeń uwzględnia czas ich powstania. Uszkodzenia są spowodowane sumą błędów popełnionych w różnych fazach istnienia uszczelnienia. Ujawniają się najczęściej dopiero podczas eksploatacji uszczelnień, a więc w fazie, w której praktycznie nie można dokonać zmian konstrukcyjnych i materiałowych. W fazie projektowania i produkcji popełniane są błędy, które są skutkiem niewiedzy konstruktora lub braku tej wiedzy w danej dyscyplinie naukowej. Powstałe na skutek tych błędów wady mogą powodować zwiększoną podatność na wystąpienie uszkodzenia w procesie eksploatacji uszczelnienia.
Faza projektowania
W fazie projektowania można rozróżnić błędy powstałe w czasie projektowania zarówno pojedynczego elementu uszczelnienia, jak i całego węzła uszczelniającego. Przykładem wady powstałej na etapie projektowania elementu uszczelnienia jest nieodpowiedni dobór materiału na pierścienie lub inne elementy. Ten zły wybór może doprowadzić do intensywnego zużycia powierzchni uszczelniających na skutek braku ich kompatybilności z uszczelnianym czynnikiem. Natomiast na etapie projektowania całego węzła uszczelniającego konstruktor powinien zwrócić uwagę na odpowiednie warunki wymiany ciepła. Często uszczelnienie wymaga zapewnienia dodatkowego chłodzenia pierścieni uszczelniających. Nieuwzględnienie tego powoduje brak odprowadzania nadmiaru ciepła powstałego na skutek współpracy pierścieni i ich zniszczenie. Także niewłaściwe zaprojektowanie chłodzenia może doprowadzić do uszkodzenia, jakim jest zużycie erozyjne. Zużycie to występuje w przypadku skierowania intensywnego strumienia cieczy chłodzącej w jedno miejsce, najczęściej stacjonarnego pierścienia. Obserwować można wówczas charakterystyczne dla zużycia erozyjnego wypłukania materiału zlokalizowane miejscowo w okolicy doprowadzania cieczy.
Wytwarzanie
Wady produkcyjne (technologiczne) powstają wskutek błędów i niedokładności procesów technologicznych lub wad materiałów przeznaczonych do produkcji uszczelnień. W sferze wytwarzania duże znaczenie ma między innymi materiał, jakość procesów obróbczych i montaż. Niewłaściwie wykonane części składowe uszczelnienia w procesie technologicznym lub dopuszczenie do montażu części uszkodzonych (porysowanych, obłupanych, źle składowanych) stanowią wady, które ujawnią się prawdopodobnie w fazie eksploatacji.
Eksploatacja
Podczas procesu eksploatacji, oprócz ujawnienia się wad powstałych w czasie projektowania i wytwarzania, mogą wystąpić uszkodzenia, które można podzielić na dwie grupy:
-
powstałe na skutek niewłaściwej eksploatacji uszczelnienia, np. w warunkach przewyższających dopuszczalne wartości obciążenia lub temperatury,
-
powstałe w wyniku oddziaływania czynników atmosferycznych.
Do uszkodzeń powstałych podczas eksploatacji zaliczamy uszkodzenia powstałe już w trakcie montażu uszczelnień w urządzeniach. Najczęstszymi tego typu uszkodzeniami są zarysowania, wykruszenia powierzchni ślizgowych pierścieni lub nacięcie, rozerwanie uszczelnienia pomocniczego, np. tzw. O-ringu. Uszkodzenia te są trudne do wykrycia i wynikają najczęściej z niedostatecznych umiejętności osoby montującej uszczelnienia. Podczas samej eksploatacji uszczelnień mogą wystąpić różne formy zużycia pierścieni ślizgowych (zużycie adhezyjne, ścierne, zmęczeniowe), odkształcenia pierścieni (mechaniczne, termiczne) lub ich pęknięcia. Uszkodzenia eksploatacyjne dotyczą również pozostałych elementów uszczelnienia, czyli pierścieni pomocniczych, elementów sprężystych oraz montażowych. Pierścienie pomocnicze ulegają odkształceniom trwałym, zużyciu ściernemu, rozerwaniu lub pęknięciom. Natomiast sprężyny oraz mieszki elastyczne ulegają zużyciu zmęczeniowemu, zablokowaniu przez zanieczyszczenia lub rozerwaniu.
Czynniki atmosferyczne
Uszkodzenia powstałe w wyniku oddziaływania czynników atmosferycznych pojawiają się w sposób stopniowy i dotyczą wszystkich elementów uszczelnienia. Elementy metalowe, które stanowią większość elementów uszczelnienia, narażone są na niszczące działanie warunków atmosferycznych, do których zalicza się przede wszystkim wilgotność, wysoką temperaturę oraz tlen. Najczęściej występującym uszkodzeniem metalowych elementów jest korozja, która może wystąpić na powierzchniach czołowych pierścieni metalowych. Z kolei korozja sprężyn i opraw może doprowadzić do zmiany położenia pierścieni i utraty styku. Wysoka temperatura wraz z wilgotnością znacznie przyspiesza procesy korozyjne. Na działanie czynników atmosferycznych narażone są również elementy elastyczne, które w kontakcie z tymi czynnikami pękają, stają się kruche, tracą elastyczność i zdolność do spełniania swoich funkcji. Omówioną klasyfikację uszkodzeń uszczelnień zaprezentowano w formie graficznej na schemacie 3.
Schemat 3. Klasyfikacja uszkodzeń uszczelnień czołowych
Przedstawiona klasyfikacja uszkodzeń uszczelnień czołowych zawiera podstawowy podział uszkodzeń uszczelnień i powinna zostać dodatkowo rozszerzona o pozostałe dane, np. postacie uszkodzeń pierścieni ślizgowych – zużycie ścierne, zmęczeniowe, adhezyjne lub uszkodzenia pozostałych elementów uszczelnienia. W ten sposób, po odpowiednim zredagowaniu jej w formie ankiety, mogłaby zostać wykorzystana do segregowania danych pochodzących z eksploatacji uszczelnień w praktyce przemysłowej. Ankieta taka umożliwiłaby nie tylko szybkie i skuteczne analizowanie zebranych danych, ale także porównywanie z danymi zgromadzonymi w innych zakładach przemysłowych.
Aleksandra Langner jest doktorantką Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu na Politechnice Poznańskiej. Zajmuje się zagadnieniami dotyczącymi eksploatacji maszyn i urządzeń przemysłu spożywczego, a przede wszystkim problemami z ich utrzymaniem w ruchu.
Literatura:
[1] Uszczelnienia Mechaniczne. Katalog firmy Anga, 2001
[2] Sealing Technology – BAT guidance notes. ESA publication No. 014/04, 2004 January
[3] Anderson W., Jarzyński J., Salant R., Monitoring the condition of liquid – lubricated mechanical seals, Sealing Technology, 2001, No. 98
Autor:
Aleksandra Langner, Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych Poli
