Przewaga uszczelnień sznurowych nad uszczelnieniami mechanicznymi

Wybór najlepszej metody uszczelniania urządzeń często wynika z osobistych preferencji jak i decyzji obiektywnych dokonywanych przez instalatora. W większości sytuacji, wybór dokonywany jest pomiędzy szczeliwem dławnicowym a uszczelnieniem mechanicznym, tj. pomiędzy metodą miękką i wygodną w montażu, a twardą i sztywną. W niniejszym artykule dokonamy porównania możliwości uszczelniania pomp.

zestaw szczeliw dławnicowych SinografNajważniejszym zadaniem w uszczelnianiu urządzeń takich jak pompy odśrodkowe i urządzenia mieszające jest utrzymanie odpowiedniego ciśnienia uszczelnianego medium oraz zapobieganie jego wycieku bądź przedostaniu się zewnętrznych zanieczyszczeń. Obecnie można wyróżnić dwie główne metody uszczelniania, skutecznie sprawdzające się w urządzeniach dynamicznych. Są to pakunki ze szczeliw dławnicowych, składające się z kilku pierścieni plecionego i elastycznego materiału oraz nieco bardziej skomplikowane uszczelnienia mechaniczne.

Chociaż szczeliwa miękkie są tradycyjną metodą uszczelniania urządzeń, stosowaną w przemyśle od dziesiątek lat, stały rozwój technologii materiałowej, odkrycie nowych materiałów o niskim współczynniku tarcia, a jednocześnie odpornych na wysokie temperatury i wpływy chemiczne sprawiły, iż są one nadal wykorzystywane przez producentów pomp oraz służby serwisujące.

Około 20 lat temu zanotowano nagły spadek wykorzystywania materiałów azbestowych, z których wykonywano większość uszczelnień. Wynikało to z faktu, iż wdrożono dyrektywę eliminacji azbestu z całej gospodarki jako materiału wysoce szkodliwego dla zdrowia. Dodatkowo, wzrost zainteresowania uszczelnieniami mechanicznymi sprawił, iż tradycyjne uszczelnienia miękkie przestały być stosowane. Taki spadek zainteresowania uszczelnieniami sznurowymi zainicjował zaawansowane prace nad wytworzeniem szczeliw z takich materiałów jak grafit ekspandowany, włókna na bazie PTFE, aramidu oraz włókna karbonowe. Celem prac było znalezienie odpowiednich kombinacji materiałowych odpornych na ścieranie, spełniających określone parametry temperaturowe i chemiczne oraz charakteryzujących się długą żywotnością. Ponadto, oczekiwany koszt wytwarzania szczeliw miękkich z tych materiałów był zbliżony do kosztu materiałów na bazie azbestu. W ciągu zaledwie kilku lat, prace nad udoskonaleniem tych materiałów sprawiły, iż nowe produkty uszczelniające całkowicie wyparły te na bazie azbestu.

Kryterium oceny Szczeliwa dławnicowe Uszczelnienia mechaniczne
Montaż Instalacja prosta, nie wymagane są specjalne umiejętności osób serwisujących (pod warunkiem stosowania się do zaleceń producenta szczeliwa). Wymagany wykwalifikowany personel oraz odpowiednie warunki do wymiany uszczelnienia i jego precyzyjnego ustawienia.
Konserwacja Wydłużona żywotność pakunku poprzez regulację dławnicy Brak pomiędzy zaplanowanymi renowacjami
Części zamienne Pakunki dostępne ze szpul, łatwe w magazynowaniu. Dodatkowo jeden gatunek szczeliwa może być wykorzystywany z kilku pompach, ewentualnie też i w zaworach. Poszczególne elementy uszczelniania muszą być łatwo dostępne dla ekip serwisujących. Koszt zapasów magazynowych może być znaczny. Elementy uszczelnień mechanicznych nie mogą być zamiennie stosowane w innych uszczelnieniach.
Wymagania co do stanu dławnicy Średnie lub niskie wymagania w zależności od rodzaju zastosowanego materiału. Możliwość stosowania szczeliwa z rdzeniem elastomerowym o wysokiej odporności na bicie wału. Wysokie wymagania w zakresie bicia osiowego, promieniowego i niewspółosiowości a także co do wysokiej klasy chropowatości powierzchni szczególnie pod O-ringami.
Niezawodność Znaczny poziom ostrzegania o możliwej awarii, możliwość korekty ustawień. Brak możliwości określenia zużycia uszczelnienia podczas pracy urządzenia – możliwość nieprzewidzianej awarii.
Koszty operacyjne Niewielki wyciek uszczelnianego medium, w celu wytworzenia filmu smarnego. Zazwyczaj, niezauważalny lub bardzo niski poziom wycieku uszczelnianego medium.

Tabela 1. Porównanie szczeliw dławnicowych i uszczelnień mechanicznych.

Ogólne zasady uszczelniania pomp

Uszczelnienia mechaniczne są zwykle uważane za metodę „załóż-i-zapomnij”, aż do czasu przeglądu okresowego urządzenia. Stosowanie szczeliw dławnicowych wymaga okazjonalnej regulacji, w celu zaobserwowania ich zużycia oraz określenia wycieku uszczelnianego medium, powyżej dopuszczalnej wielkości określonej zwykle natężeniem kroplowania.

Do przeprowadzenia regulacji urządzeń, wykorzystujących szczeliwa dławnicowe, wymagany jest odpowiednio przeszkolony personel – regulacji zwykle dokonuje się podczas pracy urządzenia, zaś sam pakunek łatwo można nadmiernie sprężyć, tracąc w ten sposób płynny film smarujący. Zastosowanie się do zaleceń dostawcy szczeliwa i znajomość jego charakterystyki, powinno znacznie zredukować możliwość niepoprawnego serwisu urządzenia. Pakunek należy wymienić wtedy, gdy dokręcanie dławika nie redukuje wycieku do pożądanego poziomu. Na tym etapie zwykle nadal jest możliwa praca z nieco nadmiernym wyciekiem aż do czasu, gdy nadejdzie dogodny czas na unieruchomienie urządzenia w celu dokonania wymiany.

W przypadku uszczelnień mechanicznych, montaż i instalacja mogą okazać się dłuższym i bardziej skomplikowanym zadaniem, wymagającym odpowiednich warunków montażowych oraz dokładnej regulacji pompy. Dodatkowo, w przypadku uszczelnień mechanicznych rzadko można zaobserwować sygnały ostrzegawcze o konieczności jego wymiany. Rezultatem nagłej awarii może być znaczny wyciek uszczelnianego medium, uszkodzenie pompy, zatrzymanie całej instalacji i w konsekwencji kosztowny remont. Okresowa konserwacja zazwyczaj polega na całkowitym demontażu uszczelnienia w celu wymiany pierścieni czołowych oraz elementów elastomerowych, takich jak o-ringi lub mieszki.

Szczeliwa dławnicowe zazwyczaj są bardziej wydajne ekonomicznie niż pracujące w tych samych warunkach uszczelnienia mechaniczne. Szczególnie w pompach przemysłowych o dużej wydajności, gdzie różnica kosztów może być nawet 10-cio krotna na korzyść tradycyjnego szczeliwa. Dla małych rozmiarów – poniżej 25mm koszt uszczelnienia mechanicznego jest zazwyczaj niższy a ponadto pozwala na bezobsługową pracę w początkowym okresie eksploatacji. Z tego względu uszczelnienie mechaniczne jest bardziej ekonomicznym rozwiązaniem w sprzęcie AGD, motoryzacji, klimatyzacji, generalnie w pompach o małych rozmiarach. W przypadku większości dużych pomp stosowanych w przemyśle i energetyce uszczelnienia sznurowe na bazie grafitu, PTFE i są bezkonkurencyjne jeśli chodzi o koszty montażu i eksploatacji w porównaniu z uszczelnieniami mechanicznymi wymagającymi niejednokrotnie instalacji pomocniczych cieczy zaporowej, przepłukiwania i chłodzenia.

Parametry Techniczne

W przypadku wysokich ciśnień roboczych lub dużych prędkości obrotowych, uszczelnienia mechaniczne posiadają pewną przewagę nad pakunkami ze szczeliw dławnicowych. Mogą one pracować praktycznie bez zużycia podczas gdy zużycie szczeliwa miękkiego w tych samych warunkach może być duże. W dużym przybliżeniu zużycie jest proporcjonalne do iloczynu prędkości i ciśnienia. Jednakże pakunki na bazie grafitu i włókna węglowego (karbonu) gdzie współczynnik pV jest odpowiednio duży mogą także pracować efektywnie przy wysokich parametrach, do wartości ciśnienia 25 MPa lub prędkości liniowej 30 m/s.

Media agresywne chemicznie lub ścierne mogą być uszczelniane za pomocą obu metod, podobnie jak żywność oraz woda pitna (oczywiście pod warunkiem posiadanych odpowiednich atestów materiałów, z których wykonano elementy uszczelnienia). Wiele rodzajów szczeliw na bazie grafitu, PTFE lub przędzy karbonowej charakteryzuje się możliwością stosowania w zakresie pH 0-14, zaś elementy uszczelnień mechanicznych można tak dobrać, aby spełniały pożądane parametry techniczne i wymagana w zakresie atestów.

Ograniczenia Temperatury

Zakres temperatur roboczych szczeliw dławnicowych oraz uszczelnień mechanicznych prawie całkowicie wynika z wykorzystanych materiałów konstrukcyjnych. Z wyjątkiem konstrukcji z mieszkiem stalowym, czynnikiem ograniczającym w uszczelnieniach mechanicznych zwykle jest wytrzymałość ich elementów elastomerowych lub polimerowych – zwykle są to o-ringi i mieszki. Górną granicą dla wysoko wytrzymałych elastomerów jest temperatura 250°C, dla perfluoroelstomeru jest to 320 °C. Dla PTFE górna granica bezpieczeństwa wynosi 260°C. Szczeliwa na bazie włókien z PTFE oraz te, wykorzystujące przędze z oplotem na rdzeniach elastomerowych, oczywiście posiadają podobne ograniczenia temperatury.

Nowoczesne szczeliwa dławnicowe wytwarzane są z materiałów syntetycznych i naturalnych. Podczas gdy szczeliwa na bazie PTFE oraz te, zawierające zarówno PTFE jak i włókna grafitowe ograniczone są górną granicą temperatury PTFE, oba typy szczeliw będą efektywnie pracować w temperaturze do – 100°C. W tak niskich temperaturach uszczelniania mechaniczne będą mogły efektywnie pracować jedynie wtedy, gdy ich sprężyny wytworzone będą z kosztownych stopów specjalnych.

Typ szczeliw Prędkość wału (m/s) Wymagania co do twardości wału lub tulei Ciśnienie robocze Temperatura max. (°C) Temperatura min. (°C) Zakres pH
Szczeliwa grafitowe 30 m/s brak 250 barów 600°C -200°C 0-14
Szczeliwa na bazie PTFE 20 m/s 30 HRC 150 barów 260°C -270°C 0-14
Szczeliwa aramidowe 10-20 m/s* 50-60 HRC* 200 barów 280°C -100°C 3-12
Szczeliwa karbonowe 15 m/s 30 HRC 200 barów 400°C -40°C 2-13

* w przypadku aramidu wartości mocno zależą od rodzaju drugiego materiału kompozytowego.

Tabela 2. Podstawowe parametry techniczne głównych rodzajów szczeliw dławnicowych