O uszczelkach i uszczelnianiu

Transkrypt

1 O uszczelkach i uszczelnianiu Uszczelnienia decydują o niezawodności działania i bezpieczeństwie. Wystarczy przypomnieć, że to właśnie uszczelki byty odpowiedzialne za niejedną awarię, w tym za tak znane jak katastrofy rakiet i promów kosmicznych. Uszczelka jest elementem konstrukcyjnym instalacji, urządzenia, maszyny, takim jak korpus, wat, podpory itp. Jest jedna cecha, która wyróżnia uszczelki- nie nadają się do ponownego użycia. Przed podjęciem decyzji o demontażu pompy należy się zabezpieczyć przed brakiem uszczelek do ponownego montażu. Nie zawsze muszą to być uszczelki fabryczne, większość z nich można wykonać w warunkach warsztatu remontowego. Należy wiedzieć które, jak i z jakiego materiału. I dlatego też podejmujemy temat uszczelniania i uszczelek w pompach. W pompach mamy do czynienia z wieloma różnymi uszczelnieniami. W stosunkowo prostej konstrukcji jednostopniowej pompy wirowej - jak na rysunku 1, znajdujemy kilka uszczelnień złączy spoczynkowych i uszczelnienia ruchowe wału. Zajmijmy się tymi pierwszymi, wśród których dają się wyróżnić uszczelki płaskie, uszczelki kształtowe i uszczelnienia złączy gwintowych. Na wstępie należy podkreślić, że podobnie jak przez konstruktora dobrane są kształty, wymiar i materiał innych elementów konstrukcyjnych, tak też dobrane są uszczelki. Należy więc poważnie traktować to co o uszczelnieniach znajduje się w dokumentacji konstrukcyjnej i DTR (dokumentacji techniczno ruchowej). Rys 1. Uszczelnienia w konstrukcji pompy jednostopnio-wej. Kolorem czarnym zaznaczono uszczelki p askie, kolorem zielonym uszczelnienia O-ringami, a kolorem czerwonym uszczelnienia ruchowe Nie często się zdarza znaleźć uszczelki w kompletach części zamiennych, często teź brak dokumentacji. I to uzasadnia poświęcenie uszczelkom szczególnej uwagi. Zacznijmy więc od uszczelek płaskich. Mówi się, źe uszczelka najlepiej trzyma, kiedy jej niema To powiedzenie wymyślili amatorzy past uszczelniających - stosunkowo młodej techniki uszczelniania, znajdującej już zastosowanie w wielu przypadkach, np. do uszczelniania powierzchni podziału korpusów pomp dwustrumieniowych. Zaletą tak uszczelnionego złącza jest uniezależnienie od grubości uszczelki. Uzyskanie szczelności nie wymaga wysokiej gładkości powierzchni. Do uszczelniania stosuje się tworzywa anaerobowe, które wiążą w warunkach kontaktu z metalem, bez dostępu powietrza. Tworzywo uszczelniające nakłada się na oczyszczone i odtłuszczone powierzchnie. Rysunek 2 pokazuje nietypowy przykład uszczelniania złącza kołnierzowego przy użyciu pasty, która (jak widać) nie spływa z powierzchni pionowej. Podobnie uszczelnia się złącza gwintowe, ale o tym

2 później. Wracając do przytoczonego na wstępie powiedzenia - odnosi się ono również do najwyższej klasy złącz metal na metal oraz rzutuje na ocenę grubości uszczelek płaskich. Rys. 2. Uszczelnienie kołnierza (Chester-Mo-lecular) Kolejna możliwość uszczelnienia płaszczyzn praktycznie na styk to stosowanie uszczelek plastycznych sznurów i taśm o przekroju prostokątnym lub kołowym, specjalnie do tego celu produkowanych. Układa się je na jednej z płaszczyzn, jak pokazano na rysunku 3 i 4. Rys 3. Uszczelnienie taśmą kołnierza (Gasget) Rys. 4. Uszczelnianie taśmą korpusu dzielonego w płaszczyźnie osi Niekiedy, zwłaszcza do uszczelniania złącz mniej dokładnych, stosuje się sznury bawełniane, węglowe, grafitowe, z włókien syntetycznych oraz kombinacje tych włókien. Sznury te kompensują błędy kształtu i przemieszczeń i nie są to połączenia na styk powierzchni uszczelnianych. Najczęściej stosowane są uszczelki z płaskich płyt uszczelniających. Zwłaszcza w złączach kołnierzy pomp z rurociągami i armaturą oraz niektórych złączach korpusów. Te pierwsze są z reguły dobierane przez instalatora, a drugie powinna określać dokumentacja pompy. jednak wielokrotnie decyzje o materiale i grubości uszczelki musi podejmować monter. Polski hydraulik kocha grube uszczelki. Grube kocha tylko zły hydraulik. Im grubsze uszczelnienie tym większa powierzchnia boczna, na którą działa ciśnienie czynnika i tym większe prawdopodobieństwo wydmuchania uszczelnienia z pomiędzy kołnierzy. Im wyższe ciśnienie tym cieńsza powinna być uszczelka. Przez grubszą uszczelkę łatwiej penetruje czynnik pompowany. Im większa grubość tym bardziej spada jej odporność na zacisk montażowy. Im cieńsza uszczelka tym bardziej można ją obciążyć i tym wolniej poddaje się relaksacji. Poza złączami, którym przypisano szczególne warunki, powszechnie stosuje się uszczelki z płyt o grubości 1 do 2 mm. Uszczelki z płyt o

3 większej grubości należą do rzadkości. Jak wytłumaczyć, że gruba nie jest lepsza, gdy trzeba łączyć przylgi o nie najlepszej gładkości?, a jak gdy powierzchnie przylg nie są do siebie równoległe? Są to pytania typu jakie dobierać opony przy braku zbieżności? Mają sens zwłaszcza w szczególnych, awaryjnych przypadkach, oby było ich jak najmniej (choć dostawcy uszczelnień nie takie problemy rozwiązują). Innym argumentem za grubymi uszczelkami jest przekonanie o ich zdolności do tłumienia drgań. Niesłuszne. Uszczelka, jako element plastyczno-sprężysty, poddana zmiennym obciążeniom może tłumić drgania, jednak dzieje się to kosztem dodatkowych obciążeń powodujących odkształcenia. Prowadzą one do pocienienia uszczelki, a więc zredukowania naprężeń kontaktowych, a w konsekwencji do nieszczelności. Skuteczność tłumienia drgań jest wątpliwa; przenoszą się one choćby przez śruby złącza. Mówiąc o naprężeniach kontaktowych przechodzimy do ważnego zagadnienia siły niezbędnej do zacisku złącza z uszczelką. Naprężania kontaktowe, czyli nacisk na uszczelkę zapewniający, że ciśnienie na nią działające nie pokona sity tarcia uszczelki o powierzchnie, można w przybliżeniu określić z zależności nacisk = 3 x ciśnienie + 3 do 4 MPa. Wynika stąd wymagana sita zacisku śrubami sita = nacisk x powierzchnia czynna uszczelki. W złączach znormalizowanych uzyskuje się odpowiednie naciski po prostu przez dokręcanie śrub momentem odpowiadającym ich średnicy, co zapewniają standardowe klucze (bez przedłużeń) i doświadczenie montera. Jeśli takie stwierdzenie budzi wątpliwości można skorzystać z klucza dynamometrycznego i danych określających obciążenia odpowiednie dla wymiaru i materiału śruby. Należy tu zwrócić uwagę na czystość gwintu. Gwint skorodowany przenosi znacznie mniejszą siłę na kołnierze niż gwint czysty i pokryty smarem. Z drugiej strony w kołnierzach znormalizowanych o mniejszych średnicach zachodzi obawa pęknięcia kołnierza. Zbyt silny zacisk może też spowodować przekroczenie wartości nacisku stykowego dopuszczalnego dla materiału uszczelki. Wracamy więc do... doświadczenia montera. Jakich błędów unikać? Nierównomiernego napinania śrub, stosowania śrub o złym stanie i o niewłaściwych wymiarach, uszczelniania powierzchni niedostatecznie oczyszczonych, smarowania powierzchni uszczelek i powierzchni uszczelnianych, dokręcania śrub złącza pod ciśnieniem oraz... powierzania pracy niefachowym wykonawcom. Najważniejsze to stosować właściwe uszczelki. Najpopularniejsza uszczelka płaska to fragment płyty uszczelniającej dobranej odpowiednio do warunków pracy. Dobór materiału spośród wielu oferowanych przez producentów uszczelnień dokonuje się pod kątem temperatury, ciśnienia i standardów bezpieczeństwa oraz odporności na kontakt z czynnikiem uszczelnianym. Pompy do wody nie są wymagające; w zakresie ciśnień do kilku MPa i temperatur do 150 C stosuje się płyty na bazie włókien aramidowych i kauczuku (np. Gambit AF-152, AF-200 i AF-CD). Płyty o wyższej jakości ( np. Gambit AF-Oil) wykazują odporność na wyższe parametry i są jednocześnie olejoodporne. Podobnie płyty Polonit z kauczukiem FAEKO, FA150, FA300, FAO z, wszystkie z kauczukiem NBR. Współczesne materiały uszczelniające bazują na włóknach, które zastąpiły azbest - wydawałoby się niezastąpiony. Najgorszą uszczelką jest uszczelka wycinana przez instalatora z tego co ma pod ręką, zwłaszcza z gumy. To o materiale, a kształt... Większość uszczelek płaskich stosowanych w pompach ma prosty kształt pierścienia, bez otworów, o średnicach dopasowanych do gniazd. Rolę gniazd spełniają np. wypusty na kołnierzach lub średnice pasowane elementów łączonych. Kołnierze znormalizowane mają przylgi zapewniające prawidłowe ułożenie uszczelki i uniknięcie niebezpieczeństwa przesłonięcia przekroju przepływowego wadliwie ułożona uszczelką. Najprostrze,

4 a zarazem najczęściej spotykane w instalacjach rozwiązanie z uszczelką o nieskomplikowanym kształcie przedstawia - rys 5. Spotyka się też uszczelki o kształtach skomplikowanych, odpowiadających kształtom powierzchni podziału, jak np. na rysunku 1 (podział miski olejowej) i jak na rys 4. Rys. 5. Złącze kołnierzowe. Położenie uszczelki pomiędzy śrubami zapewnia, ż e nie przesłoni ona przekroju przepływowego Uszczelki można wycinać różnymi sposobami. Popularnego sposobu wycinania młotkiem na krawędziach płaszczyzny uszczelnianej (np. na przylgach kołnierza) lub nie należy polecać. Są jednak sytuacje trudne - powierzchnie o skomplikowanych kształtach z otworami pod śruby (rys. 4). Jeśli do wykonania odpowiadających im uszczelek chcemy użyć młotka to należy ograniczyć się do delikatnego odtraso-wania, po to aby potem uszczelkę wyciąć nożyczkami, a otwory wykrojnikiem (choć nie można się dziwić stosowaniu młotka i kulki łożyskowej jako wykrojnika otworów). Wycinanie nożyczkami, nawet prostego kształtu, grozi przełamaniem cienkiej uszczelki, zwłaszcza jeśli wycina się wpierw kształt zewnętrzny. A więc najlepiej użyć narzędzia w postaci cyrkla - rys. 6. Ciąć należy ostrym narzędziem unikając poszarpania krawędzi. Do wykonywania większej ilości usz-czelek nadaje się przyrząd elektryczny - rys. 7, do małych średnic -wykroinik. cyrkla Rys. 6. Wycinanie uszczelki narzędziem w postaci Rys. 7. Wycinanie przyrządem elektrycznym Są też instalacje i złącza o szczególnych wymaganiach szczelności i pewności w wysokich temperaturach, ciśnieniach... Tu należy zacząć od doboru postaci konstrukcyjnej uszczelki w zależności od parametrów geometrycznych i procesowych. Mogą to być uszczelki metalowo--miękkomateriałowe jak wielokrawędziowe, spiralne, wielodrogowe, metaloplastyczne z okuwką wewnętrzną i/lub zewnętrzną. Dobór uszczelki winien być zadecydowany w dokumentacji, a

5 uszczelki winny być dostępne w kompletach części zapasowych pompy. Rys. 8. Uszczelnianie złącza gwintowego (Loctite) a) nicią, b) klejem Kolejne, najprostsze zdawałoby się zadanie - uszczelnianie ztącz gwintowych. Nawet najmniej odpowiedzialnych złącz gwintowych nie uszczelnia się dziś pakułami. Stosuje się bądź nici uszczelniające - rys. 8a, taśmy teflonowe, bądź kleje anaerobowe - rys. 8b. Zaletą tych ostatnich jest możliwość uzyskania uszczelnionego połączenia w takim położeniu kątowym, w jakim jest to wymagane. Szerokie zastosowanie w konstrukcji pomp znalazły uszczelki o przekroju kołowym, zwane pierścieniami typu O lub popularnie O-ringami. Wynika to z ich zalet - prostoty i małych wymiarów złącza uszczelnianego oraz niskich wartości wymaganego zacisku. Pewność i szczelność w eksploatacji zależą od spełnienia kilku warunków: poprawności doboru wymiarów uszczelnienia do wymiarów gniazda, poprawności doboru tworzywa uszczelki do rodzaju cieczy uszczelnianej, poprawnego wykonania i montażu. Rys. 9. O-ringi w zespole uszczelnienia mechanicznego Zacznijmy od zasady na jakiej dokonuje się uszczelnienie. Działanie uszczelnienia wymaga aby nacisk będący reakcją sprężyście odkształconego tworzywa usz-czel-ki przewyższał wartość ciśnienia w przestrzeni uszczelnianej. W wyniku wstępnej deformacji w gnieździe pierścień jest obciążony wstępnym naciskiem stykowym. Nacisk ten zależy od odkształcenia i modułu sprężystości tworzywa uszczelki. Pod działaniem ciśnienia nacisk montażowy ulega zwiększeniu, uszczelka zmienia kształt doszczelniając złącze. Podstawowym warunkiem poprawnego uszczelnienia jest zachowanie odpowiedniej relacji między wymiarami gniazda i wymiarem średnicy przekroju uszczelki. Można przyjąć jako regułę, że średnica uszczelki musi być większa o około 20% od głębokości rowka, w którym jest ułożona - rys. 10. Jednocześnie uszczelka nie może wypełniać całkowicie gniazda. Pole przekroju gniazda powinno być o około 25% większe od pola przekroju uszczelki. W szczególnych przypadkach konstrukcje złącz uwzględniają np. zależność nacisku stykowego od sztywności (modułu sprężystości) tworzywa uszczelki.

6 Rys. 10. Relacja między wymiarami gniazda i średnicą uszczelki Rys 11. O-ring w gnieździe prostokątnym Rys 12. O-ring w gnieździe trójkątnym Najważniejsze dla praktyki serwisowej jest poprawne określenie średnicy uszczelki na podstawie wymiarów gniazda. Uszczelnienia typu O są wykonywane o znormalizowanych średnicach przekroju kołowego. W pompach stosuje się O-ringi o średnicach przekroju kołowego od 2 do 5 milimetrów. Z podanych zależności wynika, że głębokość rowka dla uszczelki o średnicy 3 mm powinna wynosić około 2,5 mm, a rowka uszczelki 5 mm -około 4 mm. Relacje te mają charakter ogólny, ale pozwalają zawsze dobrać właściwą uszczelkę do wymiany. O-ringi wykonywane są z elastomerów. W pompach do wody zimnej stosuje się O-ringi z gumy nitrylowej NBR, do wody gorącej z gumy EPDM (terpolimer etylenu, propyleny i dienu), a do produktów ropopochodnych z elastomerów FKM i FFKM (nadfluorowych). Źródło: