РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ САЛЬНИКОВОЙ НАБИВКИ

Сальники для мягкой набивки являются традиционным способом уплотнения устройств с вращательными движениями. Набивка, подавляя протекание между подвижным элементом и корпусом, является ключевым элементом для функционирования различных промышленных устройств. На протяжении десятилетий набивка представляла собой натуральные волокна, пропитанные смазкой, расположенные в сальнике между корпусом насоса и вращающимся валом. Преимуществом такого решения является простота и распознавание износа набивки через увеличивающееся протекание.
Современные насосные системы располагают широким ассортиментом материалов, отвечающим высоким требованиям химической стойкости, скорости вала, давления и температуры. Какая набивка лучше всего удовлетворит потребности пользователя при определённых рабочих условиях? Какая будет наиболее экономична? Какая обеспечит долгую непрерывную работу? Ниже представлены рекомендации, следуя которым будет проще принять оптимальное решение при выборе соответствующего уплотнительного материала. 

 

Главные критерии выбора

Существует четыре основных критерия выбора набивки: химическая устойчивость или уровень рН, давление, линейная скорость вала, температура среды. Набивка разработана для заполнения зазора на вращающемся вале, предотвращая таким образам потерю важных технологических процессов и ненужных выбросов в окружающую среду. Дополнительным параметром является движение вращающегося вала. Вращение вала генерирует значительное количество тепла из-за трения и может вызвать чрезмерный износ элементов сальника. Важно выбрать такой тип набивки, который будет выдерживать рабочие условия. 

 

Температура Tmax

При динамических уплотнениях определение максимальной температуры имеет решающее значение для работы набивки. Большинство материалов обладает положительным температурным коэффициентом трения, что приводит к тому, что после превышения критичной температуры, трение начинает возрастать подобно лавине. Такое явление обычно приводит к перегреву деталей машины, а в случае уплотнений – потери их герметизирующих свойств. Температура среды также не идентична температуре набивки, поскольку из-за трения сальник работает при более высокой температуре. Для центробежных насосов, работающих без дополнительной системы охлаждения, предполагается запас прочности не менее +50°C. Хорошим решением является использование материалов, устойчивых к припеканию, таких, как, графитовые и углеродные волокна. Набивку всегда следует подбирать с учётом температурного режима, т.к. не соответствие может привести к аварии. 

 

Давление и коэффициент pV

Мягкая структура уплотнительного материала не разрушается под воздействием одного фактора, которым является давление. В динамических уплотнениях, которыми являются уплотнения насосов и клапанов, набивка обычно изнашивается в следствие трения. Предположительно, скорость износа динамического уплотнения прямо пропорциональна произведению линейной скорости VL и давления среды р, и обратно пропорциональна коэффициенту нагрузки pV, характерного для данного материала. Коэффициент pV является произведением давления и линейной скорости, которые могут одновременно выступать в уплотнении с использованием этого материала. Параметр pV характеризует материалы уплотнений с перспективы стойкости к стиранию и не указывает допустимые диапазоны давлений, которые во многом зависят от конструкции самих сальников, но указывает при каких давлениях р и скоростях V вала уплотнительный материал будет сохранять прочность. Поэтому, оценивая пригодность набивки для динамических применений, следует сравнить коэффициенты нагрузки рV, а не только допустимые рабочие давления. 

 

Уровень pH

Чтобы набивка не разрушалась под химическим воздействием перекачиваемых жидкостей, используемых для прочистки установки, следует определить максимальный уровень рH, которому может подвергаться набивка. Как известно, волокна, а в особенности натуральные волокна, быстро деградируют под влиянием агрессивных жидкостей, т. е. в кислотной и щелочной среде. Поэтому, определение уровня рН, которому будет поддаваться уплотнение является ключевым для его долговечности. Хорошей практикой является использование материалов, устойчивых к диапазону рН 0-14, исключая, разумеется, натуральные волокна. 

 

Скорость вала VL

Движение между валом и уплотнением может влиять на износ набивки двумя способами: путём стирания материала набивки и образования тепла при трении, что приводит к термической деградации уплотнения. Такие явления усиливаются вместе с увеличением линейной скорости вала VL, что важно при выборе рабочих условий набивки. Большинство производителей насосов указывает скорость вращения вала, определяя количество оборотов в минуту (об./мин.). Для расчёта линейной скорости VL в рабочем зазоре между валом и набивкой, следует применять формулу: диаметр вала х 3,14 х об./мин., чтобы получить результат в м/сек согласно стандарту СИ, расчёты должны выполняться в метрах, а результат разделить на 60. 

Тепло трения возникает, когда уплотнение дожимается к внешней поверхности гильзы вращающегося вала, создавая герметичность. Более высокая допустимая линейная скорость VL набивки возникает изза её более низкого коэффициента трения и хорошей пропитки, а также из-за более высокой термической устойчивости самой набивки. Однородные материалы (такие, как графит, ПТФЭ) лучше удерживают смазочную оболочку на поверхности гильзы в сравнении с волокнистыми материалами. При уплотнении клапанов, параметр линейной скорости VL не имеет особого значения, в то время, как в насосах, особенно вихревых, является ключевым для долговечности набивки. Поэтому при выборе набивки для насоса следует обратить особое внимание на этот параметр, т. к. чем он выше, тем более вероятен долгий срок службы уплотнения. Можно принять, что сальниковые набивки, предназначенные для вихревых насосов, должны соответствовать линейной скорости VL на уровне 15 м/с. 

 

 

 

Вторичные критерии

Вышеперечисленные критерии, это не полный список того, что следует учесть при выборе сальниковой набивки. Не менее важное значение имеет состояние оборудования, гигиенические условия, риск загрязнения среды и экономические вопросы. 

 

Состояние оборудования

Наиболее распространенной проблемой является износ гильзы и стук вала, но также стоит контролировать состояние поверхности сальника и появление коррозии.
Состояние и гладкость гильзы имеют ключевое значение для правильной работы набивки, помогая получить необходимую герметичность при меньшем давлении сальника. 

 

Система промывки

При выборе набивки важное значение имеет, как само строение сальника, так и наличие гидравлических колец, систем промывки, охлаждения или барьерной жидкостной системы. Такие системы защищают уплотнения от проникновения абразивных частиц, уменьшают трение и температуру, в результате чего срок эксплуатации уплотнения увеличивается в несколько раз. Использование более эффективной набивки позволяет сэкономить объем воды, используемой для промывки этих систем. Сальники с гидравлическим кольцом могут работать без протекания, при условии, что промежуточное давление подобрано соответствующим образом. 

 

Гигиенические условия

Высокие санитарные нормы в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности значительно ограничивают круг допустимых к использованию в уплотнениях материалов. За основу можно принять нормы FDA, допускающие набивку из ПТФЭ и арамида, но на европейском рынке применяется норма ЕС 10/2011, требующая отдельных тщательных лабораторных исследований для каждого материала. Также дело обстоит с производством бумаги, красок или лаков, где следует избегать уплотнений на основе графита, углеродных волокон или набивки, пропитанной графитом и т.п. 

 

Экономические вопросы

Разнообразие материалов, которые можно использовать для производства набивки огромно, также как различны цены на них. Пеньковый шнур, пропитанный жиром, может быть в 10 раз дешевле нежели набивка на основе углеродных волокон. Несомненно, гарантией успеха является верный выбор набивки с учётом условий работы, но также необходимо обладать знаниями и опытом. Не всегда более дорогой материал гарантирует более длительную работу уплотнения, главное – проведение испытания. Но даже стоимость самой дорогой набивки в несколько раз может превысить расходы, связанные с временем простоя и замены набивки. 

 

Основные составляющие набивки

Из огромного разнообразия уплотнительных материалов, для конструкции набивки наибольшее значение имеют пять: натуральные волокна, эластичный графит, ПТФЭ, арамид и углеродные волокна. Эти материалы покрывают более 90% потребностей рынка. Каждый из этих материалов обладает характерными особенностями, важными при выборе набивки для определённых условий. Следующей составляющей набивки является пропитка, заданием которой является улучшение скольжения и отвод тепла. Наиболее эффективной является дисперсия ПТФЭ и графитовая пропитка (графит может быть как в форме порошка, так и дисперсии). Популярными, но не так эффективными пропитками являются вазелин, масло, парафин. 

 

Натуральные волокна

Хлопок, рами, лён – натуральные растительные волокна, традиционно используемые в сальниковых набивках. Наиболее целесообразным решением является сочетание натуральных волокон рами с пропиткой ПТФЭ. Благодаря чему можно добиться отличных механических свойств, эластичности и низкого трения. Такая набивка обеспечивает герметичность при низких давлениях сальника, что позволяет использовать её в гигиенических условиях. Подобно, как и другие органические вещества, натуральное волокно легко поддаётся влиянию биологических и химических факторов, а диапазон рабочей температура достаточно ограничен. 

Операционные параметры: 

Характерные черты: натуральный, экологический материал с низкой стоимостью. 

Область применения: набивка из натуральных волокон чаще всего применяется в чистой воде, в циркуляционных насосах, где температура ограничена и нет риска химического воздействия. 

 

Эластичный графит

Эластичный графит получают из чешуйчатого графита путём интеркалирования и расширения кристаллов. После чего вспененную массу раскатывают тонким слоем либо же формируют из него нити, являющиеся основой для производства набивки и уплотнительных лент. Эластичный графит наследует лучшие черты своего предшественника, такие как: химическая и термическая стойкость, теплопроводность, приобретает мягкость и эластичность. Графитовые набивки полностью устойчивы к термическим шокам и перегреву сальника, обеспечивают низкое трение. Максимальная линейная скорость вала для графитовой набивки ограничивается только конструкционным решением насоса. 

Рабочие параметры:
Tmax 450°C / pH 0 - 14 / VL 40 м/с
Характерные особенности: термическая устойчивость и низкое трение. 

 

Область применения: графит лучше всего подходит для динамических уплотнений центробежных насосов для воды, нефтяных соединений и других химических веществ. Графит также является основой уплотнений для энергетической арматуры при высоком давлении и температуре. 

 

Расширенный ПТФЭ

ПТФЭ характеризуется достаточно большой химической устойчивостью, выдерживает сильные окислители, озон, УФ-излучение и при этом обладает высокой термической устойчивостью и низким коэффициентом трения. Для производства уплотнительных материалов используется ПТФЭ двух типов, полученных в процессе суспензионной полимеризации: белого цвета со 100% содержанием ПТФЭ и чёрного цвета – с примесью графита. Чистый белый ПТФЭ предназначен для гигиенического применения и имеет разрешение FDA и сертификат UE 10/2011 для контакта с пищевыми продуктами, требуемый на Европейском рынке. Графитированный ПТФЭ обеспечивает лучшие свойства скольжения и лучшую отдачу тепла, благодаря чему гарантирует более длительный срок эксплуатации и может быть использован при более высоком давлении и скорости вала. 

Рабочие параметры:
Tmax 260°C / pH 0 - 14 / VL 15 м/с, с графитом 25 м/с
Характерные особенности: химическая устойчивость, низкое трение и простой монтаж. 

Область применения: сальниковые уплотнения насосов в химической, фармацевтической и пищевой промышленности, где необходимы стерильные условия и санитарные разрешения. Набивку ПТФЭ с примесью графита можно считать универсальной набивкой с широким применением, за исключением сильно загрязненных, абразивных или легко кристаллизующихся жидкостей. 

 

Арамидные волокна

Арамид представляет собой синтетические волокна характерного жёлтого цвета, обладающие превосходной прочностью и устойчивостью к истиранию. Арамид, в первую очередь, известен благодаря своему использованию в баллистических щитах, таких как пуленепробиваемые жилеты, шлемы, поэтому в технике герметизации используется в жидкостях, загрязненных твёрдыми частицами. Арамидное волокно легко вытирает вал и втулку, защищающую вал, поэтому в динамичных уплотнениях должна быть использована высокоэффективная и долговечная смазка. Иным решением являются гибридные набивки, плетённые из материала с хорошими скользящими свойствами, как ПТФЭ и использование защитной гильзы твёрдостью 50-60 HRC. В гибридных плетениях преобладают три вида плетения: угловое плетение для поршневых насосов и клапанов, плетение зебра для центробежных насосов и универсальное - зебра с угловым плетением. 

Рабочие параметры:
Tmax 260°C / pH 3 - 12 / VL 10 м/с
Характерные особенности: высокая механическая прочность. 

Область применения: Арамидная набивка используется в пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности для работы с абразивными средами. Арамидные кольца идеально сочетаются в комплекте с мягкой набивкой. В таких комплектах, внешние кольца защищают весь комплект от проникновения абразивных частиц, снижают трение и улучшают срок службы уплотнения. 

 

Углеродные волокна

Лёгкие и прочные углеродные волокна устойчивы к высокой температуре и истиранию, что важно в динамичных уплотнениях. Углеродное волокно получают в процессе пиролиза и карбонизации обогащённых углеродом прекурсоров, в результате переработки и графитизации достигается высокая прочность. Свойства углеродных волокон подобны графиту, но прочность во много раз превосходит другие волокнистые материалы. Кроме того, углеродное волокно имеет положительный коэффициент прочности, который способствует улучшению прочности при возрастании температуры, при этом улучшая свойства скольжения. Этот материал выдерживает 900°C в восстановительной среде поэтому даже учитывая её высокую стоимость, в технике уплотнений пользуется всё большим спросом. 

Рабочие параметры:
Tmax 600°C / pH 0 - 14 / VL 20 м/с
Характерные особенности:
термическая устойчивость и высокая прочность. 

Область применения: ремонт промышленной и энергетической арматуры, где может применяться в качестве предварительно сформированных графитовых перстеней GDR и может обеспечить самые высокие стандарты герметичности, на уровне норм API. Набивка на основе углеродных волокон также используются вместе с графитом и в качестве уплотнения насосов, при сильном динамическом воздействии, где требуется дополнительное химическое и термическое сопротивление. 

 

Факторы оптимизации

При выборе набивки следует учитывать специфические условия работы оборудования: высокая скорость вала в центробежных насосах, большая поверхность трения в поршневых насосах, высокое давление в клапанах. Нет универсального уплотнительного материала, строение набивки определяет область её применения. В технической документации подаются эксплуатационные параметры с учётом специфики применения, что позволяет быстро оценить, где какую набивку лучше применить. 

Ассортимент сальниковых набивок огромен, многие из них имеют аналоги, а цены, на первый взгляд, того же самого материала могут значительно отличаться. Такая ситуация вызвана не только разницей стоимости производства и продажи. На первый взгляд, те же самые волокна могут значительно отличаться внутренней структурой, которая влияет на свойства конечного уплотнения. Углеродное волокно является достаточно обширным понятием. Под этим понятием могут скрываться современные высокопрочные волокна, так и карбонизированные акриловые волокна, прочность которых может не превышать свойств натуральных волокон. 

 

Наиболее используемые виды набивок

Несмотря на широкий ассортимент, большинство поставщиков предлагает 20-30 видов набивок. Согласно Закону Паретто 80/20, 20% набивок покрывают 80% спроса рынка на высокоэффективные набивки. 

 

Grafopak GRA 450

Набивка изготовлена из расширенного графита с ингибитором коррозии. Набивка предназначена для герметизации центробежных насосов, перекачивающих воду, химикаты и продукты нефтепере- работки. Графитовая набивка гарантирует надёжность и хорошие экономические результаты, но требует тщательной сборки и хорошего состояния устройств. Grafopak GRA 450 имеет наибольшую долю на рынке — 30%. 

 

Tefapak GRF 260

Набивка на основе графитированного ПТФЭ с отличными механическими свойствами и низким коэффициентом трения. Набивка проста при монтаже, за счёт чего имеет широкий спектр применения. Tefapak GRF 260 – наиболее универсальная набивка, его доля на рынке составляет 20%. 

 

 

 

Tefapak PUR 200

Белая набивка, плетеная из 100% ПТФЭ. Набивка не обладает так хорошими скользящими свойствами, как графитированное ПТФЭ, но нейтральна, за счёт чего соответствует гигиеническим нормам. Tefapak PUR 200 Tefapak PUR 200 одобрен FDA и сертификатом здоровья ЕС 10/2011 и является самой популярной набивкой для гигиенических целей с долей рынка около 15%. 

 

 

 

Grafopak IGP 600

Набивка плетёная из расширенного графита, армированная проволокой Inconel®, содержащая специальный ингибитор гальванической коррозии. Набивка представляет собой металлографитный композит со структурой, устойчивой к одновременному воздействию высоких давлений и температур. Набивка Grafopak IGP 600 используется исключительно для изготовления уплотнений в фитингах высокого давления, его рыночная доля составляет 8%. 

 

Arampak XG 340

Гибридная набивка на основе графитированного ПТФЭ и арамидного волокна. Arampak XG, а также ZG, AG и XP — специальная серия набивок с высокой устойчивостью к абразивным и сильно загрязнённым средам. Гибридное плетение из арамида и графитированного ПТФЭ улучшает свойства скольжения и эластичность, сохраняя при этом высокую прочность. Набивка Arampak XG 340 для абразивных сред занимает около 8% рынка. 

Следует использовать возможности, предлагаемые современными передовыми уплотнительными материалами. В промышленных установках они обычно дают лучшие результаты, чем механические уплотнения, как с точки зрения эксплуатационных расходов, так и надежности. Следует отметить, что сальники для мягких набивок характеризуются простотой конструкции, установки и минимальным риском поломки. Пользователи могут сами подбирать уплотнительный материал и оптимизировать выбор, учитывая давление, температуру и тип рабочей среды. К основным преимуществам использования сальниковых набивок можно отнести то, что оборудование с увеличивающимся протеканием может дальше работать, персонал может с лёгкостью предвидеть необходимость и срок замены набивки, процесс замены не требует много времени, а с поиском набивки не возникает проблем. 

При выборе соответствующего материала следует руководствоваться соотношением качество-эффективность, что позволит ограничить риск и сэкономить средства. Несмотря на то, что покупка лучшего материала связана с большими затратами, то в будущем удастся сэкономить в процессе его эксплуатации. Но, главное, преимущество заключается в ограничении риска аварии и уменьшении частоты замены набивки. Как известно, процесс замены набивки связан с останов- кой работы оборудования, что связано с гораздо большими затратами, чем стоимость самой набивки.