Процессный насос, который раньше обеспечивал номинальный расход, теперь достигает лишь 85% в рабочей точке, при этом сила тока двигателя снизилась, подшипники работают бесшумно, а механическое уплотнение сухое. На первый взгляд ничего не сломано. Однако внутри корпуса зазор между вращающимся глазком рабочего колеса и окружающим его неподвижным кольцом увеличился с нескольких тысячных дюйма до значения, которое щуп уже не может игнорировать.
Этот расширившийся зазор представляет собой внутреннее короткое замыкание: жидкость под высоким давлением стремительно возвращается в всасывающее отверстие вместо того, чтобы выходить через сопло.
Износостойкое кольцо в центробежном насосе — это сменное уплотнительное кольцо с малым зазором, установленное между вращающимся рабочим колесом и неподвижным корпусом (а зачастую и на самом рабочем колесе), единственная задача которого — ограничить внутреннюю утечку. Оно специально рассчитано на износ. Инженеры рассчитывают его размер с небольшим зазором, рассчитывают на его износ и проектируют так, чтобы его можно было заменить задолго до того, как рабочее колесо или корпус будут повреждены.
Понимание этого — это разница между ремонтом насоса и его заменой.
Основные выводы
- Износостойкие кольца нужны для того, чтобы не изнашивались дорогостоящие детали насоса.
- Удвоение диаметрального зазора может заметно снизить производительность и одновременно повысить показатель NPSHr.
- Важны два семейства колец: стационарные износостойкое кольцо корпуса и вращающийся износостойкое кольцо рабочего колеса. Во многих насосах используются оба варианта, а в некоторых — только один.
- Замену следует производить исходя из измеренного зазора, а не по количеству часов эксплуатации.
- Задир, кавитационное повреждение и абразивная суспензия оставляют разные следы износа, поэтому характер повреждения подсказывает, что именно нужно изменить в следующем кольце.
Определение и расположение изнашиваемого кольца
Износостойкое кольцо представляет собой тонкую цилиндрическую вставку, впрессованную, ввинченную или закрепленную штифтом на всасывающей стороне спирального корпуса, расположенную концентрично относительно центрального отверстия рабочего колеса. Его внутренний диаметр и наружный диаметр втулки рабочего колеса образуют кольцевой зазор, обычно составляющий несколько десятых миллиметра в диаметре, который ограничивает утечку под давлением на нагнетании обратно в всасывающий канал. В насосах больших размеров или с более высокой энергией второе кольцо устанавливается непосредственно на втулке рабочего колеса, так что изнашивающиеся поверхности соприкасаются «кольцо к кольцу», а не «кольцо к рабочему колесу».
Кольцо специально изготавливается из материала, более мягкого по сравнению с рабочим колесом или подобранного с учетом его износа, благодаря чему в случае абразивного износа или кратковременного трения изнашивается именно кольцо, а не отливка. Распространённые комбинации включают бронзу в паре с нержавеющей сталью, закалённую нержавеющую сталь серии 400 в паре с аналогичным материалом с разницей в твёрдости, а также инженерные полимеры в системах водоснабжения с небольшой нагрузкой. Суть заключается в возможности замены: изношенное кольцо — это стандартный запасной элемент, а изношенный внутренний диаметр корпуса — это ремонт с помощью сварки и механической обработки.
Почему небольшой зазор влияет на производительность насоса
Центробежные насосы создают напор за счет ускорения жидкости в рабочем колесе. Именно перепад давления между нагнетанием и всасыванием вызывает обратную утечку через зазор изнашиваемого кольца. Эта утечка представляет собой паразитный поток — в него была вложена энергия, а затем он возвращается в всасывающий патрубок для повторного перекачивания.
Гидравлический потерь имеет три аспекта. Снижение производительности это наиболее заметно: расход на выходе из сопла снижается, поскольку часть потока, выходящего из рабочего колеса, рециркулирует внутри. Потеря эффективности из этого следует непосредственно, поскольку мощность вала по-прежнему расходуется на утечку.
Показатель NPSHr увеличивается поскольку рециркулирующая жидкость поступает в всасывающее отверстие в горячем и турбулентном состоянии, что повышает вероятность кавитации при расходах, с которыми насос раньше справлялся без проблем. Компания KSB отмечает, что увеличение зазоров является одной из основных скрытых причин снижения производительности и эффективности установленных центробежных насосов (KSB: почему зазоры изнашивающихся колец имеют значение).
Утечка через кольцевой зазор пропорциональна кубу радиального зазора в ламинарном режиме и, приблизительно, зазору в степени 1,5 в турбулентном режиме. Практический вывод: удвоенный зазор не означает, что утечка "в два раза больше" — она в несколько раз больше, и именно поэтому характеристики насоса ухудшаются быстрее, чем ожидают операторы.
Кольца корпуса, кольца рабочего колеса и сменные конструкции
Не во всех центробежных насосах используется одинаковая конструкция изнашиваемого кольца. Выбор зависит от энергетического класса насоса, перекачиваемой жидкости, а также от того, насколько легко владельцу необходимо восстанавливать зазор в полевых условиях.
Настройка | Где устанавливается | Если указано | Восстановление земель |
|---|---|---|---|
Только обсадная колонна | Стационарный, в волютном всасывающем горле | Небольшие водяные насосы с торцевым всасыванием, для неинтенсивной эксплуатации | Замените кольцо; возможно, потребуется снять небольшой слой материала с втулки рабочего колеса |
Только кольцо рабочего колеса | Вращающийся, на втулке рабочего колеса | Некоторые вертикальные турбины и конструкции с разъемным корпусом | Снять рабочее колесо, заменить кольцо |
Пара корпуса и рабочего колеса | Обе поверхности | Технологические насосы API 610, насосы HSC, системы для работы в условиях высоких нагрузок | Замените оба кольца; зазор восстановлен без механической обработки отливок |
Без сменного кольца | Прямое литье отверстия рабочего колеса | Сливные насосы, в том числе безуплотнительные модели | Целая корпусная часть или рабочее колесо утилизируются по истечении срока службы |
В технических условиях компании Xylem по насосам Bell & Gossett серии HSC прямо предусмотрено использование изнашиваемых колец корпуса и рабочего колеса из возобновляемых материалов на горизонтальных насосах с разъемным корпусом, что позволяет восстановить зазор без замены основных литых деталей (Технические характеристики Xylem B&G e-HSC). При закупке стоит обратить внимание именно на эту строку в любом техническом паспорте: срок эксплуатации насоса без сменных уплотнительных колец значительно сокращается, как только увеличиваются внутренние зазоры.
Совместимость материалов и задир
Выбор материала — это тот момент, когда проектирование изнашиваемых колец становится незаметно сложной задачей. Две поверхности из нержавеющей стали одинаковой твёрдости, соприкасающиеся в жидкости с низкой смазывающей способностью, подвергаются задиру — происходит перенос металла, зазор на мгновение закрывается, а затем вновь разрывается. Распространённой ошибкой при закупках является указание "износостойких колец из нержавеющей стали 316" для рабочего колеса из нержавеющей стали 316, поскольку остальные детали насоса также изготовлены из стали 316.
В результате при первом запуске всухую возникает задир из-за совпадения твердостей. Решением этой проблемы является разница в твердости не менее 50 по шкале Бринелля, либо поверхность кольца с твердым покрытием, либо использование одного кольца из другого сплава, такого как нитроник или бронза.
Симптомы чрезмерного зазора между изнашиваемыми кольцами
Насос редко сигнализирует об износе колец. Признаки износа проявляются постепенно и их легко приписать другим причинам.
- Пропускаемый расход при неизменном давлении на выходе постепенно снижается в течение нескольких месяцев.
- Сила тока двигателя немного снижается, хотя коэффициент загрузки остался прежним — насос выполняет меньший объем работы, поскольку перекачивает меньший чистый объем жидкости.
- Насос работает в более отдалённой точке своей кривой, что может привести к возникновению вибрации, вызванной рециркуляцией.
- Запас NPSH уменьшается; насос начинает подвергаться кавитации при расходах, с которыми он раньше справлялся.
- Перепад давления на насосе при перекрытии клапана остается неизменным — напор при перекрытии не очень чувствителен к зазору в кольце, поэтому испытание с закрытым клапаном вводит операторов в заблуждение.
Именно этот последний момент отнимает много времени при поиске и устранении неисправностей. Техник проводит испытание без нагрузки, видит нормальное значение давления отключения и делает вывод, что насос исправен. Именно испытание производительности при рабочем расходе позволяет выявить износ кольца.
Что приводит к износу защитных колец
Износ колец происходит по нескольким различным механизмам, и характер износа на кольце позволяет поставить диагноз.
Истирание. Взвешенные твердые частицы — песок, накипь, сварочный шлак, оставшийся после ввода в эксплуатацию — истирают поверхность кольца. Износ происходит равномерно по всей окружности, а внутренний диаметр увеличивается концентрически.
Коррозия. Хлориды, технологическая вода с низким pH или гальваническое воздействие между разнородными металлами приводят к образованию язв на кольце. Внутренний диаметр становится не более широким, а лишь шероховатым, однако утечка всё равно увеличивается, поскольку турбулентное течение через шероховатый зазор более интенсивно, чем через гладкий.
Контакт с образованием задира и трения. Термическая деформация, износ подшипников, прогиб вала или работа вдали от точки максимальной эффективности приводят к тому, что рабочее колесо касается кольца. Повреждение носит локальный характер — часто представляет собой размазанную дугу с одной стороны, — и зазор после этого уже не является концентрическим.
Повреждения, вызванные кавитацией. Когда насос работает с недостаточным показателем NPSH, паровые пузырьки разрушаются вблизи всасывающего отверстия и вызывают образование ямок на поверхности кольца. Характерным признаком является пористая поверхность с кратерами, которая, как правило, наиболее сильно повреждена на кольце корпуса.
Износ при работе всухую и при запуске. Кратковременная работа без грунтовки или запуск до того, как начнётся промывка уплотнения, может сократить срок службы изнашиваемого кольца за считанные секунды больше, чем за несколько месяцев нормальной эксплуатации.
Решения о проверке и замене
Проверка представляет собой измерительную операцию, а не визуальную. Диаметральный зазор — это разница между внутренним диаметром кольца корпуса и внешним диаметром втулки рабочего колеса (или кольца рабочего колеса), измеряемая в нескольких точках по окружности для выявления овальности.
Как измерить
Измерьте внутренний диаметр отверстия кольца корпуса с помощью внутреннего микрометра, а внешний диаметр соприкасающейся поверхности рабочего колеса — с помощью внешнего микрометра; измерения следует проводить при углах 0°, 90° и в третьем промежуточном положении. Рассчитайте диаметральный зазор и сравните его со значением зазора для нового изделия, указанным производителем на чертеже поперечного сечения насоса. Многие производители публикуют пороговое значение для замены, равное кратному значению зазора для нового изделия — компания KSB указывает удвоенный зазор в качестве общепринятого критерия для замены с целью обеспечения энергоэффективной работы (Рекомендации KSB по зазорам).
Точное соотношение зависит от энергетического класса насоса и стоимости потерь эффективности, поэтому следует руководствоваться инструкцией по эксплуатации конкретной модели, а не применять общее правило.
Когда следует заменить
Замена оправдана, если измеренный зазор, характер износа или данные гидравлических испытаний указывают на одно и то же. Распространённой ошибкой при монтаже является замена только кольца корпуса, когда кольцо рабочего колеса также изношено — новый зазор на бумаге выглядит правильным, но в течение нескольких недель зазор вновь увеличивается, поскольку поверхность рабочего колеса уже имеет недостаточный размер. Всегда измеряйте обе половины пары и заменяйте обе, если на любой из них наблюдается износ.
При монтаже важно соблюдать условия прессовой посадки. Кольцо, установленное в холодном состоянии без проверки предельного зазора, может деформировать отверстие и привести к появлению неравномерного зазора с самого начала эксплуатации. Надежным способом является установка с помощью термоусадочной посадки или контролируемого гидравлического прессования в соответствии с инструкцией.
Вопросы и ответы
Можно ли уменьшить зазор ниже значений, указанных в заводских технических условиях, для повышения эффективности?
Зазоры, меньшие, чем предусмотрено техническими характеристиками, приводят к трению во время тепловых переходных процессов, прогибу вала и при запуске. При этом прирост КПД незначительный, а риск возникновения задира, приводящего к выходу рабочего колеса из строя, вполне реальный. Соблюдайте зазоры, указанные производителем оригинального оборудования (OEM), за исключением случаев, когда производитель одобрил вариант с повышенным КПД для конкретных условий эксплуатации.
Используются ли уплотнительные кольца в вертикальных турбинных и погружных насосах?
Да. В вертикальных насосах чашечного типа между каждым рабочим колесом и чашей установлены ступенчатые износостойкие кольца. При перекачке колодезной воды их износ в основном обусловлен абразивным воздействием песка, и замена производится в соответствии с графиком замены по ступеням, а не по уровню обсадной колонны.
Является ли износостойкое кольцо тем же, что и горловая втулка или уравновешивающий барабан?
Нет. Горловая втулка расположена в зоне сальника и регулирует утечку в направлении уплотнения; уравновешивающий барабан компенсирует осевую тягу в многоступенчатых насосах. Все три элемента служат для регулирования зазора, однако изнашивающееся кольцо, в частности, представляет собой путь утечки с передней стороны между глазком рабочего колеса и всасывающим патрубком.
Можно ли нанести покрытие на втулки или отремонтировать их вместо того, чтобы заменять?
Для восстановления или упрочнения поверхностей колец, особенно в крупных насосах или насосах с длительным сроком поставки, используются напыленные покрытия из карбида вольфрама, оксид хрома и лазерная наплавка. С экономической точки зрения целесообразнее наносить покрытие, если кольцо дорогое или устарело, а заменять его — в тех случаях, когда в наличии имеются готовые кольца.
Как влияет работа двигателя в режиме, отклоняющемся от точки экономичного режима (BEP), на износ колец?
Длительная работа при низком расходе приводит к рециркуляции всасывающего потока и пульсациям давления в области «глазка» рабочего колеса, что ускоряет образование кавитационных язв на поверхности износостойкого кольца. Работа при высоком расходе увеличивает осевые нагрузки и может привести к осевому смещению рабочего колеса в сторону кольца корпуса. Оба режима сокращают срок службы кольца по сравнению с работой вблизи точки максимального КПД.
Заключение
Износостойкое кольцо — это специально предусмотренное «слабое звено» центробежного насоса: тонкий сменный элемент, регулирующий зазор, который защищает рабочее колесо и корпус, принимая на себя износ вместо них. Как только зазор увеличивается, внутренняя рециркуляция приводит к снижению производительности, КПД и запаса NPSH задолго до появления каких-либо внешних признаков неисправности. Относитесь к нему как к элементу, требующему тщательного технического обслуживания: отслеживайте диаметральный зазор, подбирайте материалы с разницей в твёрдости и заменяйте кольца корпуса и рабочего колеса парами.
Если при закупке указать кольца из возобновляемых материалов, насос сохранит возможность ремонта на протяжении десятилетий, а не станет одноразовым после одного цикла износа.