Od pewności działania pasów napędowych zależy ciągłość pracy maszyn i urządzeń przemysłowych. Jakie zatem mogą wystąpić uszkodzenia pasów oraz czy można im zapobiec? Czy prawidłowo montując pas, właściwie go eksploatując i konserwując, wydłuża się jego trwałość?
Użytkownicy pomp oceniają, że w przypadku 80 proc. awarii związanych z pompami powodem było uszkodzenie uszczelnień. Choć w przypadku uszczelnień mechanicznych stosuje się dziś nowoczesne materiały, takie jak: węgliki krzemu, węglik wolframu, ceramika Al2O3, tytan, kompozyty węglowe, to nadal uszczelnienia spędzają służbom utrzymania ruchu sen z powiek. Stąd dążenie konstruktorów, by ograniczać lub rezygnować z uszczelnień wszędzie tam, gdzie jest to tylko możliwe. Najlepszym uszczelnieniem jest brak uszczelnienia. Biorąc pod uwagę możliwość wystąpienia awarii, warto zainteresować się rozwiązaniami konstrukcyjnymi, które eliminują źródło takich problemów, jak np. w przypadku wirowych pomp magnetycznych. Zasada ich działania to przeniesienie napędu z silnika do sekcji pompy przy wykorzystaniu sprzęgła magnetycznego. Nie ma tu mechanicznego połączenia pomiędzy sekcją pompy i silnikiem, co eliminuje potrzebę uszczelnienia osi, a to jest właśnie źródło wycieków w pompach konwencjonalnych. Pompy wirowe o sprzężeniu magnetycznym dobrze sprawują się w pracy ciągłej, mają hermetyczną konstrukcję, czyli mogą tłoczyć ciecze niebezpieczne i krystalizujące w zetknięciu z powietrzem. Patrząc od strony kosztowej, należy brać pod uwagę nie tylko cenę samej pompy, ale koszty LCC (całkowity koszt zakupu i eksploatacji). Ograniczenie możliwości awarii jest tu znaczącym czynnikiem. Nie zawsze jednak możemy skorzystać z tego typu rozwiązań.
Uszczelnienia
Przy zakupie pompy poza wszystkimi aspektami technicznymi należy zwrócić uwagę na zalecenia obsługowe podawane przez producenta, a zwłaszcza na konstrukcję uszczelnień. Przykładowo w pompach krzywkowych Tapflo jedynymi elementami podlegającymi normalnemu zużyciu w pompie są uszczelnienia mechaniczne, których czas wymiany dla wykwalifikowanego personelu (jak podaje producent) nie przekracza jednej godziny. Jeśli chodzi o sprawną wymianę, to znaczenie mają takie elementy, jak uszczelnienia medium z dostępem od czoła pompy i łatwa zamienność z innymi typami uszczelnień. Stosuje się też takie rozwiązania, które pomagają wykryć zużycie uszczelnienia. Na przykład pompy zatapialne firmy Mody Pumps mają wbudowany czujnik wilgoci, który wykrywa narastające zużycie uszczelnienia i automatycznie wyłącza pompę (to standard w niezatykających się pompach szeregu NC tej firmy i opcjonalnie montowany w przypadku szeregu pomp przemysłowych Mody Pumps Industrial Line).
Zasady wymiany i doboru
W pompach odśrodkowych – jednych z najczęściej użytkowanych w praktyce – od dawna stosuje się pierścienie do promieniowego uszczelnienia wałów. Typowa konstrukcja składa się z obudowy z blachy stalowej lub elastomeru połączonego z wargą uszczelniającą (na przykład z elastomeru). Powinna ona być zawsze skierowana w stronę medium, które ma być zatrzymywane. W zależności od potrzeb stosuje się wargi gumowe (mieszanka kauczuku nitrylowego) lub inne specjalne materiały odporne na agresywne związki chemiczne. Jeśli w pompie uszczelnienia typu pierścienie promieniowe są zasadniczo wykorzystywane do utrzymania ciśnienia, wargi powinny mieć taki profil, który jest odporny na odkształcenia wynikające z siły nacisku wywieranego przez ciśnienie.
Należy tu zwrócić uwagę na prędkości obrotowe. Specjalne ukształtowanie wargi ma znaczenie zwłaszcza przy stosunkowo niskich prędkościach obrotowych wału. Zapewnia to lepszy docisk do wału. Tam, gdzie prędkości są większe, różnica ciśnień między stronami uszczelnienia jest mniejsza, a samo zwiększenie szybkości obrotowej wału lepiej dociska – z samej zasady działania – uszczelnienie. Większy docisk do wału to równocześnie większe tarcie i krótsza żywotność uszczelnienia i wału. Dlatego należy tak dobierać parametry ciśnienia i prędkości obrotowej wału, by uzyskać możliwie najlepsze właściwości i trwałość. Stosuje się tu współczynnik P.V., który jest iloczynem obciążenia P (N)/powierzchnię styku [mm2] oraz prędkości liniowej [m/s]. Charakteryzuje maksymalne możliwe zastosowanie tworzywa przy określonym obciążeniu i prędkości, nie uwzględniając przy tym zużycia ciernego. Jak się przyjmuje, niektóre konstrukcje uszczelnień promieniowych (na przykład wykonane z PTFE) dopuszczają współczynnik PV o wartości ponad 250 tys. zależnie od oczekiwanej trwałości eksploatacyjnej.
Najważniejsze przy doborze uszczelnienia do tego typu pomp jest dobranie pierścieni uszczelnienia promieniowego tak, by nie przekroczyć podawanej przez producenta maksymalnej wartości granicznej prędkości obrotowej wału. Wchodzą tu też takie czynniki, jak: moment obrotowy uszczelnienia, pobór mocy, temperatura (pod wargą uszczelniającą) i bicie dynamiczne. Dopiero uwzględnienie tych czynników pozwoli na uzyskanie optymalnej trwałości dla uszczelnienia tego typu. Trzeba zwrócić uwagę, że standardowe pierścienie do promieniowego uszczelniania wałów są projektowane dla określonej wartości ciśnienia. Ważne jest też wykończenie powierzchni wału. Przy promieniowym uszczelnieniu zaleca się stosowanie chropowatości w miejscu styku z wargą uszczelniającą na poziomie 0,20−0,43 µm przy skoku linii po obróbce maszynowej mniejszym niż 0 +/- 0,05 stopni. Dla uszczelnień labiryntowych wykończenie powierzchni nie ma takiego znaczenia.
Uszczelnienia typu labiryntowego specjaliści zalecają w przypadku wzmocnionych pomp procesowych ANSI i klasy API. Zasadą ich działania jest powstanie dynamicznego wewnętrznego toru, który usuwa zanieczyszczenia w rodzaju płynów i cząstek stałych, a utrzymuje środek smarny. Mogą być one wykonane z metalu lub z tworzyw sztucznych w przypadku potrzeby uzyskania odporności na substancje chemiczne. Jeśli zostaną poprawnie zamontowane, dają też długi czas eksploatacji. Podaje się, że wykonane z tworzywa sztucznego uszczelnienia labiryntowe mogą standardowo pracować z prędkościami do 25 m/s, a wykonane z metalu do nawet 50–80 m/s. Przekraczając te wartości, należy zwrócić uwagę, czy są to specjalne wykonania, które na takie wykorzystanie uszczelnień labiryntowych pozwalają. Są to zazwyczaj specjalne konstrukcje.
Pamiętajmy, że każdy materiał uszczelniający ma określony zakres temperatur, w których może pracować. W przypadku kauczuku nitrylowego występuje też pod wpływem działania temperatury proces starzenia cieplnego, zmieniając jego właściwości. W takich sytuacjach można stosować zamiennie materiały o lepszych właściwościach, jak choćby fluoropolimer lub PTFE.
Jak mówi mgr inż. Jerzy Latała z firmy Latech (przedstawiciel firmy ANGA Uszczelnienia Mechaniczne), eksploatacja uszczelnień mechanicznych narzuca spełnienie wielu czynników wpływających na poprawną eksploatację, wydłużenie żywotności i niezawodności urządzeń. Uszczelnienia mechaniczne jako precyzyjnie wykonane urządzenia wymagają innego niż uszczelnienia sznurowe podejścia do prac remontowych i montażowych. Inne problemy występują przy już dobranych i fabrycznie zamontowanych w pompach, sprężarkach, mieszalnikach czy reaktorach, a inne problemy występują przy przeróbkach z systemu uszczelnień sznurowych na uszczelnienia mechaniczne. Według Latały, najczęściej popełniane błędy występują zarówno przy ich doborze do urządzenia pracującego (zły dobór materiałów i elastomerów, złe określenie parametrów technologicznych agregatu), jak i przy ich montażu – mało kto czyta instrukcje wytwórcy, oraz przy rozruchu i eksploatacji (na przykład pomp) ze strony użytkowników. Stan techniczny całego urządzenia ma decydujący wpływ na jego dalszą poprawną eksploatację. Cały czas na bieżąco są wprowadzane nowości techniczne mające na celu wydłużenie żywotności i niezawodności zarówno po stronie rodzajów par ślizgowych (uszczelnienia bezstykowe, hydrokinetyczne itp.), jak i po stronie zastosowanych materiałów i ich cech konstrukcyjnych. W wielu firmach pokutuje jeszcze zasada taniego zakupu produktu, a więc większej zawodności, podkreśla Latała. Produkowane uszczelnienia są pojedyncze, podwójne, kompaktowe itd., których cena rośnie w zależności od ich niezawodności.
Ponieważ uszczelnienia stanowią w znacznym stopniu o niezawodności pompy, należy z zasady unikać produktów niemarkowych, wykonanych z bliżej nieokreślonych materiałów. Może to być niebezpieczne, choćby ze względu na możliwe interakcje ze środkami czyszczącymi używanymi do płukania linii. Nieznany rodzaj użytego elastomeru to również brak informacji, w jakich temperaturach może pracować i jaka jest jego kompatybilność w odniesieniu do substancji chemicznych, okresu przydatności, wrażliwości na czyszczenie parą lub reakcji na niektóre smary stosowane w trakcie instalacji uszczelnienia. Jak uniknąć tego typu problemów? Należy przechowywać informacje producenta pompy dotyczące zalecanych uszczelnień. Stosować zawsze produkty, o których mamy pełne informacje techniczne. Jeśli chcemy przedłużyć żywotność uszczelnień mechanicznych pompy, warto zastosować się do poniższych zasad:
- mieć pewność, że pompa jest gotowa do zainstalowania uszczelnień mechanicznych,
- wybrać dobre uszczelnienia wykonane z dobrych materiałów,
- właściwie zainstalować,
- kontrolować środowisko pracy.
Może nasunąć się pytanie, kiedy pompa jest gotowa do instalacji uszczelnień? Wtedy, kiedy pompa jest sprawna, czyli na przykład zredukuje się drgania wału i jego przesunięcia. Uszczelnienie powinno też być właściwie oznaczone i przechowywane. Jest to ważne ze względu na starzenie się niektórych tworzyw wykorzystanych do ich produkcji. Przy montażu należy zwłaszcza uważać, by nie uszkodzić elastomeru. Jeśli to możliwe, warto ograniczać liczbę zatrzymań i uruchomień pompy – ma to negatywny wpływ na uszczelnienia.
Producenci i dostawcy
Na naszym rynku działa wielu dostawców uszczelnień różnego typu do pomp, w tym również firmy wyspecjalizowane w produkcji takich elementów wymiennych. Firma ANGA Uszczelnienia Mechaniczne podaje, że jej uszczelnienia mechaniczne pracują w tysiącach pomp, w Polsce i w 28 krajach świata, w wielu branżach przemysłu. Uszczelnienia mechaniczne opracowano według własnych projektów i objęte są ochroną patentową w Polsce i za granicą. Warto tu wspomnieć o opracowanych przez firmę ANGA uszczelnieniach gazodynamicznych, stanowiących nową generację w technice uszczelnień mechanicznych, w których poprzez uzyskanie efektu poduszki gazowej otrzymuje się bezstykową pracę par powierzchni ślizgowych. Efekt ten powstaje w wyniku dynamicznego sprężania gazu (azotu lub powietrza) w mikrowybraniach bieżni pierścieni uszczelniających. Jak podaje producent – łatwo je aplikować do prawie każdej pompy procesowej.
Do Polski trafiają też uszczelnienia praktycznie z każdego kierunku geograficznego. Na przykład z Hiszpanii – przykładem firma Wiper (działająca na krajowym rynku od 1999 r.) jest od 2004 r. wyłącznym przedstawicielem hiszpańskiej firmy Lidering, która jest dużym dostawcą części służących uszczelnianiu pomp. Z działających w Polsce firm, dostawców uszczelnień, można wymienić między innymi jeszcze: Burgmann, Chesterton International Polska, Europolit Ltd., Firma Inżynierska Antom, GG Trading, Hydro-Vacuum, John Crane Poland, Laska Technika Przemysłowa, Pumps Service Ltd., Ragum, Tofama, Umech, WAR-ECO i inni. Również producenci i więksi dostawcy pomp oferują przeznaczone do nich uszczelnienia.
Podsumowanie
Zgodnie z danymi uzyskanymi w trakcie eksploatacji, jedną z ważniejszych przyczyn uszkodzeń łożysk jest obecność zanieczyszczeń. Zanieczyszczenia to: wilgoć, kurz, brud, cząstki stałe. Są one oczywiście też niebezpieczne dla uszczelnienia mechanicznego, zwłaszcza na powierzchniach uszczelniających. Choćby zabrudzenie powierzchni gwintowych koła wirnikowego może skutkować niewłaściwym osadzeniem koła wirnikowego na wale. Dlatego zawsze warto rygorystycznie dbać o zachowanie czystości przy wszelkich pracach związanych z montażem uszczelnień mechanicznych. Miejsce, w którym wykonuje się prace, powinno być czyste i wolne od kurzu, brudu, oleju, smaru itp. Dotyczy to też rękawic, szmatek i używanych narzędzi. Kolejny problem, na który nie zawsze zwraca się uwagę, to starzenie się elementów uszczelnień. Zaleca się po 3-letnim okresie przechowywania uszczelnienia mechanicznego jego kontrolę, czy zachowało właściwości takie same jak w nowym produkcie. Dotyczy to zwłaszcza powierzchni uszczelniających. By ułatwić montaż, uszczelki mogą być lekko nasmarowane. Smar nie może wchodzić w reakcje ani z tłoczonym produktem, ani materiałem uszczelki. Ogólnie zaleca się smary silikonowe, ale należy to sprawdzić w konkretnym zastosowaniu.
Należy też zwrócić uwagę, że niektóre uszczelnienia mechaniczne mogą zależeć od kierunku obrotu. Przed montażem trzeba sprawdzić, czy kierunek obrotu wału jest zgodny z kierunkiem obrotu uszczelnienia mechanicznego.
Stosując zamienniki oryginalnych uszczelnień zalecanych przez producenta, narażamy się na utratę gwarancji i brak jego odpowiedzialności za szkody spowodowane użyciem nieoryginalnych części zamiennych i osprzętu.
Autor: Bohdan Szafrański
