Pumphandboken - PumpPortalen
Transcription
Pumphandboken - PumpPortalen
5 Axeltätningar 5.1 ALLMÄNT Axeltätningen är det mest utsatta elementet i en pump och det lönar sig att ägna stor uppmärksamhet åt val, installation och underhåll av tätningen. Kostnaderna för reservdelar-och reparationsarbete samt läckage- och stilleståndskostnader kan därigenom hållas låga. Utöver kostnader måste hänsyn tas till miljöförstöring på grund av läckage. Till vätskans giftighet, radioaktivitet eller explosionsbenägenhet och till "enbart" den otrivsel som en slaskig miljö ger. De normalt använda metoderna för avtätning är: • • • • Packbox för allmänna fall, där förhållandevis stort läckage kan tillåtas och kontinuerlig tillsyn f6rekommer. Enkel plantätning för allmänna fall, där förhållandevis litet läckage och långt serviceintervall krävs. Dubbel plantätning vid förorenade, starkt gashaltiga, giftiga eller vissa varma, kalla vätskor, där mycket litet läckage kan tillåtas. Hermetiskt avtätade pumpar -tätningslösa pumpar. Se vidare kapitel 4 och 6. 5.2 EXEMPEL PÅ TÄTNINGSMETODER Packbox Packbox med formbart packningsmaterial är den traditionella tätningen för pumpar och ansätts med axiell kraft figur 5.1. En modern variant, figur 5.2, kan ansättas radiellt och ger ett bättre tryckförhållande. Fig 5.1 Traditionell packbox med mekanisk axiell ansättning. Fig 5.2 Modern packbox med hydraulisk radiell ansättning. Roterande plantätning I en plantätning sker avtätningen mellan ett stillastående stationärt och ett roterande axiellt plan, figur 5.3. Tillsammans med packbox den vanligaste pumptätningen. 132 Figur 5.3 Roterande plantätning med drivande enkelfjäder. Läpptätning Läpptätning av gummi, figur 5.4 är användbar för låga tryck och hastigheter samt med begränsad livslängd. Användes sällan för pumpad vätska, men väl som lagertätning och sekundärtätning för yttre spolning av roterande plantätning. Figu 5.4 Läpptätning Svävartätning Svävartätning av gummi figur 5.5 för måttliga tryck och där inspädning av tätningsvatten i processen kan tillåtas. Den tål förhållandevis stora axelrörelser och används för slitande suspensioner. Figur 5.5 Svävartätning 133 Spalttätning Axiell eller radiell spalt, figur 5.6, med stort läckage som vid vertikalaxel lätt kan återföras till pumpad vätska. Användes för vertikala långaxliga pumpar och som tryckavlastning före andra typer av axeltätningar. Figur 5.6 Spalttätning Figur 5.7 Hjälppump i form av baksideskolvar Hjälppump En hjälppump kan användas för bortpumpning av läckage, eller för upprätthållande av tryckjämvikt, figur 5.7. Vid stillastående axel krävs då någon form av hjälptätning. Utförandet har tidigare använts för svåra medier vid låga tryck. 5.3 DRIFTSFÖRHÅLLANDEN Gemensamt för tätningsmetoderna är att tillståndet i tätningsläget, figur 5.8, är avgörande för tätningskonstruktionen. Tillståndet där beskrivs av: • • Pumpmediet med eventuella föroreningar. Tryck – Trycket vid axeltätningen pt kan beräknas på följande sätt: pt = pi + pd pi = Inloppstrycket till pumpen, dvs vid pumpen sugstuts pd = Tryckskillnad inuti pumpen mellan inlopp och tätningsläge, vilket varierar med olika pumphjulsutformningar. Ekv 5.1 För pumphjul med enkelsidigt inlopp med normal axialkraftsbalansering med hjälp av baksideskovlar eller spalt med avlastningshål gäller att att pd ≈ 0,3 x pumpens uppfordringshöjd. 134 Figur 5.8 Tryckförhållanden i en centrifugalpump temperatur, som kan avvika från det pumpade mediet genom olika kylnings- eller spolarrangemang. periferihastighet på axel. Trycket i tätningsläget p och periferihastigheten v brukar kombineras till ett pv-värde helt analogt med glidlagerberäkningar. Samtidigt utgör pv-värdet ett mått på utvecklat friktionsvärme i tätningen. Temperaturen i själva tätningsytorna, blir beroende av friktionsvärmen, vätsketemperaturen och värmebortledningen. 5.4 PACKBOX En packbox består av ett antal flätor som komprimeras mellan en axiellt förskjutbar gland och en bottenring. Därigenom expanderar flätorna radiellt och utövar ett visst tryck mot axeln. Tyvärr erhålles ingen jämn fördelning av detta tryck utefter boxens längd. Förutom detta mekaniska tryck verkar det hydrauliska trycket från pumpmediet. Figur 5.9. Figur 5.9 Packbox, princip Ett visst läckage måste alltid finnas för att transportera bort friktionsvärmet och upprätthålla en stabil vätskefilm. Läckagets storlek för rätt fungerande och justerade packboxar är mellan 3 och 12 cm3/min. 135 Tryckdistributionen mellan packningsmaterial och axel framgår av figur 5.10. Överst visas yttrycket vid stillastående och roterande axel, och därunder tryckfallet. Större delen av trycket tas alltså upp av de två flätorna närmast glanden, varför det största slitaget uppträder där. Slitage längre in i boxen orsakas av föroreningar i vätskan. Figur 5.10 Tryckdistributionen i en packbox Figur 5.11 Tryckfallskurva för packbocx med spärrvätskering Pg = tryck gland Po = atmosfärtryck Pt = tryck vid axel/tätning h = spalthöjd, mellan axel/tätning f = faktor packningsmaterial K = förhållandet mellan radiellt och axiellt tryck, vilket beror av packningsmaterialet. För packbox med spärrvätskering ser tryckfördelningen något annorlunda ut. Se figur 5.11. Spärrvätskan bör tillföras mitt i boxen. Vid fem flätor och spärrvätskering, bör ringen placeras med två flätor innanför och tre utanför, för att undvika att spärrvätskeringen rör sig för mycket axielIt och blockerar tillförseln av vätska. Olika packboxarrangemang a) Packbox utan spärrvätska. Pumpmediet bildar vätskefilm och måste vara rent för att hålla slitaget på en rimlig nivå. Detta utförande, figur 5.12, klarar endast måttliga temperaturer, då kylning sker enbart genom läckageflödet. Risk för luftinsug vid låga inloppstryck. Figur 5.12 Packbox utan spärrvätska 136 b) Packbox med pumpmediet som spärrvätska. Även för detta fall, figur 5.13, måste pumpmediet vara rent. Spärrvätskeledningen tas ut från en punkt där det råder ett högre tryck än i boxen, varvid risk för luftinsugning elimineras. c) Packbox med separat spärrvätska. Detta utförande, figur 5.13, krävs vid förorenade, heta och farliga medier. Den tillförda vätskan måste väljas med hänsyn till det pumpade mediet och bör hålla ett tryck som med 0,1-0,15 MPa överstiger trycket i tätningsläget. Mängden tätningsvätska som läcker in i pumpmediet beror bl a på axelns styvhet och rundgång och är normalt endast delar av en liter/min. Figur 5.13 Box för spärrvätska med normal Placering av vätskelåsring Figur 5.14 Box för spärrvätska med vätskelåsringen placerad längst in i boxen. Vid extremt slitande medier kan vätskelåsringen placeras längst in i boxen, figur 5.14, för att förhindra att slitande partiklar tar sig in i boxen. I detta fall blir mängden tätningsvätska som läcker in i pumpmediet avsevärd. d) Packbox med kylning. Vid vätsketemperaturer över 80-120°C, beroende på bl a packningsmaterial, bör kylning av packboxläget tillgripas. Kylning utanför flätorna ger ganska dålig effekt eftersom flätorna leder värme dåligt. Kylkammaren bör därför vid högre temperaturer sträcka sig innanför flätorna, fig. 5.15. Vid 130 -140°C bör även kylning av glanden tillgripas. Med ett sådant arrangemang slås ångläckage ned och värmetransporten genom axeln till det främre lagret förhindras. Figur 5.15 Kyld packbox utan spärrvätska. 137 Packningsmaterial Det vanligaste packningsmaterialet är flätor, men även packningsmassa och band förekommer. En flätad packning består av en bärare- grundmaterial - och impregneringsmedel. Grundmaterialet kan kan vara följande: • Växtfibrer (hampa, lin, bomull) användes för temperaturer upp till 100°C. Dålig kemisk resistens. • Vitasbest och blåasbest har stort arbetsområde och kan användas för temperaturer upp till 500°C. I Sverige är användning av blå asbest förbjuden av Arbetarskyddsstyrelsen. • Syntetfibrer har ypperliga glidegenskaper och är beständiga mot alla vätskor. Maximal temperatur 250°C • Grafitfibrer har mycket låg friktionskoefficient och goda värmeledningsegenskaper samt god kemisk resistens, bortsett från oxiderande syror t ex salpetersyra. • Glasfibrer ersätter blåasbest. Är ej beständiga mot fluorvätesyra och starka alkalier. För att minska friktionen impregneras packningen med ett smörjmedel på animalisk, vegetabilisk, mineral- eller syntetisk bas. • Smörjmedelsimpregnering klarar temperaturer upp till 125°C och ett pH-värde mellan 5 och 10. • PTFE-impregnering klarar temperaturer upp till 250°C och pH 0-14. Tabell 5.1 Användningsområden för olika packningar (källa SSG 1300) 138 5.5 ROTERANDE PLANTÄTNINGAR Tätning av roterande axel mot pumphuset sker genom att ett roterande plan med "optisk" planhet tätar med en vätskefilm emellan mot ett stationärt plan. Mellan den roterande ringen och axeln, stationära ringen och glanden, görs avtätning med något slag av elastomer såsom o-ringar, v-ringar etc. En av de stora fördelarna med denna typ av tätning är att den inte sliter axeln eller fodret. Figur 5.16 visar en enkel roterande plantätning med komponeneter. Figur 5.16 Roterande enkel plantätning Planheten i slitytorna skall vara av mycket hög klass, figur 5.17 och ytdjupet likaså. 2-5 ljuslinjers planhet är ett krav. Figur 5.17 Ljusmönster vid planhetskontroll med hjälp av optiskt planglas och monokromatiskt ljus – Na-Ljus med en våglängd av 0,5 µm. 139 Tätningsytor Teorin om vad som händer mellan tätningsytorna har helt schematiskt åskådliggjorts i figur 5.18. Tätningen skall betraktas som droppfri men inte läckfri. Det synnerligen ringa läckaget- diffusion skall bortgå i ångform på atmosfärssidan av tätningen. Figur 5.18 Vätskefilmens utseende samt tryckdistributionen Pt- Po Läckaget genom tätningsytorna hos en plantätning uppgår till 0,05-2 cm3/tim beroende på driftsförhållanden, dimensioner och materialval i tätningsytorna. Inget dropp skall dock märkas-endast ångbildning som kan leda till en viss kristallbildning. Som en allmän och mycket viktig regel gäller att en plantätning aldrig får torrköras-det måste finnas en vätskefilm mellan ytorna. Torrkörning kan uppstå även om pumpen är fylld med vätska om temperaturen är så hög att vätskan kokar mellan tätningsytorna. Endast specialkonstruerade tätningar kan köras på gasfasen av en vätska. Utseende hos den roterande ringen varierar med sättet för drivning-medbringning-och belastning samt vilka material som ingår i slitytorna. För att uppta eventuella vibrationer i axeln, parallellitetsfel i o-ringspår samt inverkan från medbringningsanordningen bör den stationära ringen infästas så flexibelt som möjligt. Figur 5.19 visar olika infästningsexempel. 140 Figur 5.19 Några exempel på hur en stationär tätningsring kan fästas och tätas. A är DIN-standard och ger den största flexibiliteten (källa Mayer) Tätning mot axel och pumphus - statisk tätning Statisk avtätning sker med stor variation i olika fabrikanters produkter. Se figur 5.20. Dominerande är o-ringen ex a och I i nedre temperaturregionen under 250°C. För högre temperaturer används ofta kilformade tätningsringar, ex c. Figur 5.20 Några exempel på sektioner av tätningsringar. (Källa Mayer) Ansättning av tätningsytorna samt medbringing Ansättning av tätningen sker med olika typer av fjädrar. Enkelfjädrar, flerfjädrar och vågfjädrar är de mest förekommande. Figur 5.21. Medbringningen kan vid användning av enkelfjädrar utföras av fjädern själv, i övriga fall med hjälp av separata drivelement. Minst två drivpunkter bör finnas för att garantera en tillfredsställande anliggning av tätningsytorna. I valet mellan en och flera fjädrar bör generellt, om så är möjligt, enkelfjädrar väljas. Skälen därtill är att drivning och ansättning kan kombineras i ett element, att enkelfjädern är robust och tål korrosion samt att risken för blockering är mindre än hos småfjädrar. Dessutom är enkelfjädern lättare att hantera. 141 Figur 5.21 Exempel på ansättning och medbringning Balans och obalans- avlastade och icke avlastade tätningar Vid höga tryck och stora hastigheter måste slitytorna avlastas så att vätskefilmen hålls stabil. Vid temperaturer i närheten av ångbildningstemperaturen måste friktionsvärmet begränsas. I dessa fall minskas anläggningstrycket på tätningsytorna i plantätningen hydrauliskt enligt figur 5.22. Detta åstadkommes genom att avväga förhållandet mellan tätningsdiametern och innerdiametern på den stationära ringen. Gränsen mellan balanserade och obalanserade tätningar bestämmes av pvfaktorn och temperaturförhållandena. Balanserade standardtätningar kan användas för tryck upp emot 10 MPa. Vid högre pv-värden > 100 MPa - m/s måste hydrodynamiska tätningar med kontrollerat läckage användas. Figur 5.22 Hydraulisk balansering av plantätningar Temperaturaspekter För att uppnå acceptabla temperaturförhållanden i tätningsytorna måste friktionsvärmet transporteras bort. Det sker genom värmeledning i ringarna och genom konvektion till omgivande medium. Se figur 5.23. 142 Figur 5.23 Värmetransport i tätning (Källa Lymer) Varje tätning och materialkombination har vad som kallas ett minsta ∆T för att kunna fungera. ∆T är skillnaden i temperatur mellan vätskans kokpunkt vid boxtrycket och vätskans temperatur. Genom olika åtgärder – inter och extern cirkulation – kan ∆T ökas dvs i praktiken kyls tätninsytorna till ett allt större och säkrare ∆T. Se figur 5.24. Figur 5.24 Tryck- och temperaturförhållanden vid tre olika varvtal för balanserad tätning (källa Lymer) 143 Olika tätningsarrangemang a) Enkel tätning utan cirkulation Tätning utan cirkulation, figur 5.25, kan användas i gynnsamma fall vid rena medier och måttliga temperaturer. Kylning eller värmning kan ske i direkt anslutning till tätningsytorna via spolkanalen. Figur 5.26 Tätning utan cirkulation men med kylning b) Enkel tätning med cirkulation av den pumpade vätskan. Cirkulationen har till uppgift att: • • • föra bort friktionsvärmet från tätningsringarna föra bort partiklar och kristaller från området kring tätningsytorna kyla alternativt värma tätningsläget i förhållande till pumpen i övrigt Detta är det vanligaste tätningsarrangemanget och genom olika åtgärder med cirkulationssystemet och materialvalet klaras de flesta medier, såväl kalla som varma, rena som förorenade. Figur 5.26. Vissa undantag finns och behandlas nedan. Figur 5.26 Tätning med cirkulation, spädning och/eller quench c) Enkel tätning med spädning av extern vätska Används för kraftigt förorenade vätskor och suspensioner där inspädning i processen kan tillåtas. Se figur 5.26 d) Enkel tätning utan inspädning av extern vätska Om inspädning inte kan tillåtas av processtekniska eller ekonomiska skäl, används en omvänd balanserad tätning gärna med hårda slitytor t ex hårdmetall mot hårdmetall. Se figur 5.27. Fjädern är placerad utanför mediet och alla medieberörda delar har en sådan utformning att igensättning förhindras. 144 Figur 5.27 Omvänd balanserad tätning för förorenade medier. e) Enkel tätning med yttre spolning (quench) Den yttre spolningen, figur 5.26, kan ha till uppgift att: • • • • Föra bort utläckande farliga vätskor eller gaser Kyla bort respektive värme från utsidan Rensa bort eventuellt slitpulver och kristaller Fungera som torrkörningsskydd f) Dubbeltätningar En dubbeltätning, figur 5.28, består av två tätningar normalt vända mot varandra och med en särskild tätningsvätska emellan. Denna yttre tätningsvätska skall ha ett tryck som med 0,1 - 0,15 MPa överstiger trycket innanför den inre tätningen så att båda tätningsställenas smörjfilm utgöres av den yttretätningsvätskan. En dubbeltätning drar med sig extrautrustning för att tryckhålla, cirkulera och eventuellt kyla tätningsvätskan. Detta gör att dubbeltätningar bör undvikas så långt möjligt. Typiska installationer där dubbeltätningar krävs: • • • Starkt förorenade vätskor och suspensioner där inspädning inte kan tillåtas Vätskor eller gaser som är giftiga, radioaktiva eller explosionsbenägna Vid risk för kraftig kristallbildning Figur 5.28 Dubbeltätning 145 g) Enkeltätning av teflonbälgtyp Användes för starkt korrosiva vätskor. De vätskeberörda delarna utföres i keramik och PTFE, figur 5.29 Figur 5.29 Kemitätning av teflonbälgtyp Material Materialet i de båda tätningsytorna kan vara lika eller olika. Materialkombinationen bestäms bl a av slitstyrka, friktionsförhållanden, kemisk resistens och värmeledningsförmåga. Några vanliga kombinationer för de båda tätningsytorna är: • • • • • • • brons – kol martensitiskt rostfritt stål – kol stellitbelagt rostfritt stål – kol hårdmetall –kol keramik- kol hårdmetall – hårdmetall keramik-PTFE, Teflon Hårdmetall och keramik kan antingen användas i solid form eller som ytbeläggning på t ex rostfritt stål. Även elastomerer användes i plantätningar, se tabell 5.2 Tabell 5.2 Några elastomerer för plantätningar 146 5.6 SPÄRRVÄTSKA – TÄTNINGSVATTEN Spärrvätskan skall passa det pumpade mediet-vätskan/gasen-så att ingen explosion eller korrosion blir följden av det läckage som sker genom, tätningsytorna eller inåt packboxen. Tätningsspalten i en plantätning är mellan 0,2 - 1,0 µm. Den tjänstgör som ett spaltfilter för partiklar större än denna spalt. I en packbox är spalten mellan 3 - 10 µm; Kravet på spärrvätskans renhet bestäms därför väsentligen av andra komponenter i cirkulations- eller spärrvätskekretsar såsom flödesmätare, konstantflödesventiler och övrig armatur. Uppskattningsvis kan sägas att i de flesta applikationer 50-100 µm är tillräckligt. 5.7 TÄTHETSKRAV - LÄCKAGEMÄNGDER, miljö och kostnader Kravet på täthet beror på många faktorer och har ökat på senare år och kommer att öka ytterligare. Några konsekvenser av läckage utan inbördes rangordning: • • • • • inre arbetsmiljön kan bli oacceptabel yttre miljön kräver att läckage tas om hand och renas läckage kan ge skador på maskinen i form av korrosion och lagerhaverier kostnad för utläckt vätska vid läckage in i processen kan processen störas eller skadas. I bästa fall blir det en stor kostnad för indunstning av inläckaget. Miljö och läckage Tätningens funktion för den inre arbetsmiljön förtjänar stor uppmärksamhet med tanke på allmän trivsel samt med hänsyn till Arbetarskyddsstyrelsens anvisningar angående hygieniska gränsvärden. Läckagemängderna kan direkt översättas till de av Arbetarskyddsstyrelsen angivna gränsvärden i ppm eller mg/m3 luft. Det är viktigt att veta att gränsvärdena anges som absoluta maximum, varför de normala värdena måste ligga betydligt under. Uppskattning av läckagemängder: • • • Roterande plantätning-enkel Packbox - väl fungerande och underhållen Packbox – uppmätta värden i praktiken 0,2-2 g/tim - cm3/tim 150-720 g/tim - cm3/tim <5000 g/tim – cm3/tim Några exempel på vanliga vätskor inom processindustrin med gränsvärden hämtade ur Arbetarskyddsstyrelsens anvisningar nr 100. Ämne mg/m3 Klor Klordioxid Natriumhydroxid Svaveldioxid Svavelsyra 3 0,3 2 5 1 Med hjälp av dessa siffror kan erforderlig kapacitet på ventilationssystemet beräknas. För en pump som pumpar en lättflyktig vätska med gränsvärdet 2 mg/m3 luft behövs - om genomsnittsläckaget används – en fläkt med kapaciteten: 147 För mer svårflyktiga vätskor måste en bedömning ske av hur stor del av läckaget, som bortgår i ång- resp. vätskeform. För att få den totala erforderliga kapaciteten skall de erforderliga kapaciteterna för alla pumpar innehållande miljöfarliga ämnen adderas. Ur miljösynpunkt måste kanske dubbel plantätning väljas i många fall. Livslängd och underhåll En tätnings livslängd är i första hand beroende av att rätt tätning och rätt material valts, dvs det optimala med avseende på driftsfallet. Livslängden såväl som läckagemängder påverkas av pumpens kondition och konstruktion, och på vilket sätt den körs – kontinuerligt eller diskontinuerligt etc. Allmänt kan sägas att livslängden för en plantätning och slitfodret i en packbox är ungefär densamma-för tryck upptill 1 MPa- 3 till 4 års medellivslängd. För att nå denna medellivslängd krävs i packboxfallet en noggrann skötsel och justering, dessutom är resultatet till stor del beroende på den som gör jobbet. En plantätning behöver däremot ingen efterjustering och rätt installerad från början ger den en bekymmersfri drift. Vid högre tryck än 1 MPa sjunker livslängden för packboxar, då dessa inte kan balanseras som plantätningar. 5.8 STANDARDISERING Utbudet av tätningar- både packningar och plantätningar-är stort t o m för stort för att vara gripbart för pumpanvändaren. Multipliceras sedan med antalet axeldimensioner och materialkombinationer, framkommer behovet av att någon form av standardisering måste göras. • • • För packboxar och plantätningar finns en internationell standard - ISO 3069 - som omfattar axel och boxdimensioner. För packboxar finns standard utgiven av skogsindustriella standardiseringsgruppen - SSG 1300, 1320 och 1321, som omfattar dimensioner, montage och material. För plantätningar finns en internationellt gångbar standard för enkeltätning - DIN 24960 - där vissa fastlagda inbyggnadsmått möjliggör byte mellan olika fabrikat under förutsättning att pumptillverkaren tagit hänsyn till maximal tillåten inbyggnadslängd och inte fastnat för en speciell tillverkares kortare inbyggnadsmått. Denna standard, som täcker ca 80 % av driftsfallen, får ses som ett steg i rätt riktning även; om den har många svagheter. Att standardisera materialet i packningar, bör gå bra på 80-90% av pumpbeståndet inom en industri. Som regel räcker 2 högst 3 material eller materialkombinationer. Ur underhållssynpunkt bör så lika utförande som möjligt eftersträvas- gärna samma fabrikat. 148 Figur 5.30 Exempel på lämpliga spärrvätskor för olika temperaturområden. 5.9 LITTERATURFÖRTECKNING För den som vill fördjupa sig i tätningsteknologin och allmänna tätningsfrågor finns en omfattande litteratur: • • • • • • • Fern A G, Nau B S: Seals, Oxford University Press. Austin R M, Nau B S: Seal Users Handbook. BHRA Fluid Engineering. Mayer E: Axiale Gleitringdichtungen. VDI-Verlag. Sveriges Mekanförbund: Mekanresultat "Tätningar". Kempe S: Packboxar för formbart packningsmaterial. Ingår i bok "Pumpteknik". Ingenjörsförlaget 1975. Bergius O: Plantätningar, roterande - funktion, drift och installation. Ingår i bok "Pumpteknik". Ingenjörsförlaget 1975. Lymer A, Greenshields A L: Thermal Aspects of Mechanical Seals. Flexibox Ltd. 149