Czym jest uszczelnienie mechaniczne i jak działa?

Uszczelnienie mechaniczne służy do uszczelnienia obracającego się wału względem nieruchomego korpusu pompy lub mieszadła. W przypadku pomp powierzchniowych zapobiega wyciekowi pompowanej cieczy wzdłuż wału do otoczenia. W przypadku pomp zatapialnych zapobiega natomiast przedostawaniu się pompowanej cieczy do komory silnika. W obu przypadkach uszczelnienie mechaniczne jest jednym z najważniejszych elementów decydujących o niezawodności, trwałości i bezpiecznej pracy pompy.

Uszczelnienie mechaniczne składa się z dwóch głównych części. Część nieruchoma (pierścień stały) jest osadzona na stałe w korpusie pompy lub mieszadła. Część obrotowa jest zamocowana na wale i obraca się wraz z nim. Obie powierzchnie uszczelniające są bardzo precyzyjnie obrobione, a sprężyna stale dociska je do siebie. Uszczelnienie między poszczególnymi elementami zapewniają uszczelnienia wtórne, najczęściej O-ringi, uszczelki o przekroju L lub mieszki gumowe.

Uszczelnienie mechaniczne nie może pracować całkowicie bez przecieku cieczy. Między powierzchniami uszczelniającymi powstaje bardzo cienki film smarny pompowanego medium, który zmniejsza tarcie, odprowadza ciepło i zapewnia prawidłowe działanie uszczelnienia. Ilość tej cieczy jest jednak tak mała, że po wydostaniu się ze szczeliny uszczelniającej zwykle natychmiast odparowuje. Dlatego uszczelnienie może wydawać się całkowicie suche i idealnie szczelne, chociaż mikroskopijny przeciek występuje stale.

Z pompowaną cieczą między powierzchnie uszczelniające dostają się również rozpuszczone minerały, sole, kamień lub drobne zanieczyszczenia mechaniczne. Substancje te mogą stopniowo tworzyć osady, zwiększać zużycie powierzchni lub powodować ich sklejenie po dłuższym postoju pompy. Typowym przykładem są roztwory wapna, twarda woda lub media o wysokiej zawartości rozpuszczonych soli, które po odparowaniu cieczy tworzą twarde osady krystaliczne. Mogą one ograniczać ruch elementów uszczelnienia, powodować nieszczelność, piszczenie lub całkowicie uniemożliwić prawidłowe działanie przy kolejnym uruchomieniu pompy.

Jeśli film smarny zostanie przerwany – na przykład podczas pracy na sucho, zapowietrzenia pompy lub niedoboru cieczy – w ciągu kilku sekund następuje przegrzanie i uszkodzenie powierzchni uszczelniających.

W przypadku pomp szlamowych z komorą olejową zwykle stosuje się dwa uszczelnienia mechaniczne. Uszczelnienie po stronie pompowanego medium jest smarowane pompowaną cieczą, natomiast uszczelnienie po stronie silnika – olejem w komorze olejowej. Olej chroni część silnikową pompy, ale nie zapobiega uszkodzeniu uszczelnienia po stronie medium podczas pracy na sucho. Dlatego również w tych pompach ważne jest prawidłowe zalanie i odpowietrzenie przed uruchomieniem.

Jak rozpoznać uszkodzone uszczelnienie mechaniczne?

Typowe objawy to:

• wyciek cieczy w okolicy wału,
• piszczenie lub zgrzytanie podczas pracy,
• podwyższona temperatura w okolicy uszczelnienia,
• przebarwienie lub przegrzanie części gumowych,
• pęknięty pierścień stały z węglika krzemu (SC),
• zużyty pierścień węglowy (CA),
• wibracje pompy spowodowane uszkodzonym uszczelnieniem

Czy uszczelnienie mechaniczne można naprawić?

W większości przypadków uszczelnienia mechanicznego nie naprawia się, lecz wymienia na nowe. Uszkodzonych powierzchni roboczych nie można odtworzyć zwykłymi metodami, a wymiana jest zazwyczaj szybsza i bardziej opłacalna. Przed montażem nowego uszczelnienia zawsze trzeba jednak usunąć przyczynę pierwotnego uszkodzenia. W przeciwnym razie ta sama usterka może wystąpić ponownie w bardzo krótkim czasie.

Jak wydłużyć żywotność uszczelnienia mechanicznego?

Żywotność uszczelnienia mechanicznego znacznie wydłużają:

• prawidłowy montaż bez uszkodzenia powierzchni uszczelniających,
• kontrola bicia wału i stanu łożysk,
• dokładne odpowietrzenie pompy przed uruchomieniem,
• zapobieganie pracy na sucho,
• regularne płukanie podczas pompowania mediów tworzących osady,
• dobór właściwego typu i materiału uszczelnienia mechanicznego do danego medium.

  ---

10 najczęstszych przyczyn uszkodzeń uszczelnień mechanicznych

Uszczelnienie mechaniczne należy do najważniejszych elementów każdej pompy. Choć jest przeznaczone do długotrwałej pracy, na jego żywotność znacząco wpływają warunki eksploatacji, jakość montażu i właściwy dobór materiałów. Doświadczenie z serwisu pomp pokazuje, że większość awarii uszczelnień ma następujące przyczyny.

Poniżej znajdziesz dziesięć najczęstszych przyczyn uszkodzeń uszczelnień mechanicznych, z którymi spotykamy się podczas napraw pomp.

Dalej, pod tekstem, obejrzyj zdjęcia uszkodzonych uszczelnień.

1. Praca pompy na sucho

Praca na sucho jest najczęstszą przyczyną poważnej awarii uszczelnienia mechanicznego.

Podczas pracy powierzchnie uszczelniające są chłodzone i smarowane pompowaną cieczą. Gdy jej brakuje, temperatura gwałtownie wzrasta w ciągu kilku sekund.

Typowe skutki:

• popękane pierścienie ceramiczne,
• spalone części gumowe,
• odkształcenie elementów metalowych,
• połamane pierścienie węglowe.

Jak zapobiec uszkodzeniu?  Stosuj zabezpieczenie przed pracą na sucho, np. kontrolę minimalnego poziomu za pomocą wyłączników pływakowych, sond poziomu lub funkcji programowych systemów sterowania, takich jak CONTROL lub przemienniki częstotliwości ECOPOWER.

2. Zużycie ścierne

Woda zawierająca piasek, osad lub inne cząstki stałe działa jak pasta ścierna.

Najbardziej narażone są miększe materiały, takie jak węgiel lub stal nierdzewna.

Typowe oznaki:

• koncentryczne ślady na powierzchniach roboczych,
• zmatowienie pierścieni stałych z SiC,
• znaczne zużycie pierścieni ze stali nierdzewnej,
• stopniowe zwiększanie się wycieku cieczy

Jak zapobiec uszkodzeniu?   Do mediów ściernych stosuj materiały SiC/SiC (węglik krzemu) lub TC/TC (węglik wolframu).

3. Praca przy zamkniętym tłoczeniu

Jeśli pompa pracuje przy zamkniętym zaworze, ciecz nie przepływa, a energia silnika zamienia się w ciepło.

Temperatura cieczy wewnątrz pompy szybko rośnie, a zwłaszcza w pompach pionowych w okolicy uszczelnienia mechanicznego może powstać poduszka parowa.

Skutki:

• rozerwane elementy z EPDM,
• zniszczone O-ringi,
• połamane pierścienie węglowe,
• przegrzanie całej pompy.

Jak zapobiec uszkodzeniu?    Stosuj  prawidłowo skonfigurowany system sterowania, który wyłącza pompę po zatrzymaniu przepływu lub po spadku poniżej ustawionego minimalnego przepływu.

4. Kawitacja

Kawitacja powstaje, gdy ciśnienie spada poniżej ciśnienia pary nasyconej cieczy.

W cieczy tworzą się pęcherzyki pary, które następnie implodują.

Skutkiem mogą być:

• uszkodzenie wirników,
• wibracje,
• zwiększone obciążenie uszczelnienia mechanicznego,
• skrócenie żywotności łożysk.

Jak zapobiec uszkodzeniu?     Przestrzegaj zalecanych warunków pracy pompy, zwłaszcza wymaganych wartości NPSH, i prawidłowo zaprojektuj przewód ssawny.

5. Długotrwały postój pompy

W pompach do ścieków fekalnych i szlamu często dochodzi do sklejenia powierzchni roboczych uszczelnienia.

Osady i zaschnięte zanieczyszczenia tworzą trwałe połączenie między powierzchniami uszczelniającymi.

Po uruchomieniu:

• pierścień obrotowy może się nie odblokować,
• może obrócić się w części gumowej,
• uszczelnienie traci szczelność.

Jak zapobiec uszkodzeniu?     Regularnie uruchamiaj pompę na krótko, np. raz na 48 godzin na 1–3 sekundy, za pomocą sterownika (np. CONTROL) lub przemiennika częstotliwości (np. ECOPOWER).

6. Niewłaściwy dobór materiału gumy

Nie każda guma jest odpowiednia do każdego medium.

Częste błędy:

• NBR w zbyt gorącej wodzie,
• EPDM w olejach mineralnych,
• FKM w niektórych roztworach alkalicznych.

Skutkiem mogą być:

• pęcznienie,
• twardnienie,
• pękanie,
• utrata elastyczności.

Jak zapobiec uszkodzeniu?    Zawsze dobieraj materiał gumy do właściwości pompowanego medium, jego temperatury i stężenia.

7. Wibracje pompy

Wibracje mogą być spowodowane:

• niewyważonym wirnikiem 
• uszkodzonymi łożyskami,
• kawitacją,
• nieprawidłowym podparciem rurociągu.

Uszczelnienie mechaniczne jest bardzo wrażliwe na wibracje.

Typowe skutki:

• zwiększone zużycie powierzchni,
• nieszczelności,
• uszkodzenie części gumowych.

Jak zapobiec uszkodzeniu?     Regularnie sprawdzaj stan łożysk, sprzęgieł wałów i wyważenie części obrotowych.

8. Niewspółosiowość wału

Jeśli wał nie pracuje współosiowo, powierzchnie uszczelniające są obciążane nierównomiernie.

Prowadzi to do:

• nierównomiernego zużycia,
• wibracji,
• zwiększonego wycieku cieczy.

Często spotykamy się z tym po niefachowych naprawach.

Jak zapobiec uszkodzeniu?    Podczas montażu zawsze sprawdzaj bicie wału i stan łożysk.

9. Uszkodzenia chemiczne

Niektóre chemikalia oddziałują nie tylko na gumę, lecz także na same powierzchnie robocze.

Typowe przykłady:

• utleniacze,
• kwasy,
• zasady,
• rozpuszczalniki.

Uszkodzenie objawia się:

• zmianą wymiarów,
• utratą elastyczności,
• korozją części metalowych,
• rozpadem elastomerów.

Jak zapobiec uszkodzeniu?     Zawsze sprawdzaj zgodność wszystkich materiałów uszczelnienia z właściwościami chemicznymi pompowanego medium.

10. Nieprawidłowy montaż

Nawet wysokiej jakości uszczelnienie mechaniczne może ulec awarii w ciągu kilku minut po montażu.

Częste błędy:

• zarysowanie powierzchni roboczych,
• montaż bez smarowania O-ringów lub uszczelek manszetowych
• użycie niewłaściwych narzędzi,
• zanieczyszczenie powierzchni uszczelniających.

Skutkiem jest natychmiastowy lub bardzo szybko pojawiający się wyciek cieczy.

Jak zapobiec uszkodzeniu?     Pracuj w czystym otoczeniu, nie używaj ostrych narzędzi ani nie stosuj montażu z użyciem uderzeń.

Podsumowanie

W większości przypadków przyczyną awarii nie jest samo uszczelnienie mechaniczne, lecz warunki pracy pompy lub nieprawidłowy montaż uszczelnienia. Właściwy dobór materiałów, staranny montaż i odpowiednio skonfigurowany system sterowania mogą wydłużyć żywotność uszczelnienia z kilku miesięcy do wielu lat.

Jeśli nie masz pewności, jakie uszczelnienie mechaniczne wybrać, lub chcesz ustalić przyczynę awarii, prześlij zdjęcie uszkodzonego uszczelnienia i typ pompy. W większości przypadków usterkę można dość dokładnie określić już na podstawie wyglądu zużycia powierzchni uszczelniających. Pozwala to rozważyć odpowiednie działania: wybór innych materiałów uszczelnienia lub zmianę warunków pracy pompy.

Autor: Karel Buchtele, InTech – uszczelnienia mechaniczne do pomp i mieszadeł
Praktyczne doświadczenia z serwisu pomp i uszczelnień mechanicznych.

Jak rozróżnić materiały SC i CA w uszczelnieniach mechanicznych?

Na zdjęciu po lewej stronie znajduje się pierścień stały z węglika krzemu (SC), a po prawej pierścień obrotowy z węgla (CA). Oba materiały mają zupełnie odmienne właściwości, które można łatwo rozpoznać nawet bez wyposażenia laboratoryjnego.

• SC – węglik krzemu ma błyszczącą, niemal lustrzaną powierzchnię i sprawia wrażenie „metalicznego”. Jest wyjątkowo twardy – nie da się go zarysować nożem ani pilnikiem. Jest jednak dość kruchy i przy uderzeniu lub nieprawidłowym montażu może pęknąć albo może się z niego odłamać fragment. Powierzchnie przełomu mają bardzo ostre krawędzie.
• CA – węgiel (karbon) ma bardziej matowy, ciemniejszy wygląd i jest znacznie miększy. Jego powierzchnię można zarysować, a nawet naciąć ostrym nożem. Dlatego podczas pracy na sucho lub w obecności zanieczyszczeń zwykle zużywa się wcześniej niż pierścień stały z węglika krzemu.

Praktyczna wskazówka do identyfikacji:

•  SC – bardziej błyszczący, bardzo twardy, nie da się go naciąć nożem ani pilnikiem, ale przy przeciążeniu może się odłamać.
• CA – bardziej matowy, miększy, można go zarysować lub naciąć ostrym nożem.

Te proste różnice pomagają podczas kontroli zużytych uszczelnień mechanicznych szybko określić materiał powierzchni uszczelniających i prawidłowo ocenić przyczynę ich uszkodzenia.  (Autor  Karel Buchtele, Intech. Aby zobaczyć szczegóły, kliknij zdjęcie prawym przyciskiem myszy i wybierz otwarcie w nowej karcie)