Čo je mechanická upchávka a ako funguje?

Mechanická upchávka slúži na utesnenie rotujúceho hriadeľa voči pevnému telesu čerpadla alebo miešadla. Pri povrchových čerpadlách zabraňuje úniku čerpanej kvapaliny okolo hriadeľa do okolitého prostredia. Pri ponorných čerpadlách naopak bráni vniknutiu čerpanej kvapaliny do priestoru motora. V oboch prípadoch je mechanická upchávka jedným z najdôležitejších dielov, ktorý rozhoduje o spoľahlivosti, životnosti a bezpečnej prevádzke čerpadla.

Mechanická upchávka sa skladá z dvoch hlavných častí. Stacionárna časť (sedlo) je pevne uložená v telese čerpadla alebo miešadla. Rotačná časť je upevnená na hriadeli a otáča sa spolu s ním. Obe tesniace plochy sú veľmi presne opracované a pružina ich trvalo pritláča k sebe. Utesnenie medzi jednotlivými dielmi zabezpečujú sekundárne tesnenia, najčastejšie O-krúžky, L-manžety alebo gumové vlnovce.

Mechanická upchávka nemôže pracovať úplne bez priesaku kvapaliny. Medzi tesniacimi plochami sa vytvára veľmi tenký mazací film čerpaného média, ktorý znižuje trenie, odvádza teplo a zabezpečuje správnu funkciu upchávky. Množstvo tejto kvapaliny je však také malé, že sa po výstupe z tesniacej škáry zvyčajne okamžite odparí. Preto sa môže zdať, že mechanická upchávka je úplne suchá a dokonale tesná, hoci k mikroskopickému priesaku dochádza neustále.

S čerpanou kvapalinou sa však medzi tesniace plochy dostávajú aj rozpustené minerály, soli, vodný kameň alebo jemné mechanické nečistoty. Tieto látky môžu postupne vytvárať usadeniny, zvyšovať opotrebovanie tesniacich plôch alebo spôsobiť ich zlepenie po dlhšej odstávke čerpadla. Typickým príkladom sú roztoky vápna, tvrdá voda alebo médiá s vysokým obsahom rozpustených solí, ktoré po odparení kvapaliny vytvárajú tvrdé kryštalické usadeniny. Tie môžu obmedziť pohyb mechanickej upchávky, spôsobiť jej netesnosť, pískanie alebo úplne zabrániť správnej funkcii pri ďalšom spustení čerpadla.

Ak sa mazací film preruší – napríklad pri chode nasucho, zavzdušnení čerpadla alebo nedostatku kvapaliny – v priebehu niekoľkých sekúnd dôjde k prehriatiu tesniacich plôch a ich poškodeniu.

Pri kalových čerpadlách s olejovou komorou sa zvyčajne používa dvojica mechanických upchávok. Upchávka na strane čerpaného média je mazaná čerpanou kvapalinou, zatiaľ čo upchávka na strane motora je mazaná olejom v olejovej komore. Olej chráni motorovú časť čerpadla, ale nedokáže zabrániť poškodeniu upchávky na strane čerpaného média pri chode nasucho. Preto je aj pri týchto čerpadlách dôležité správne zaplavenie a odvzdušnenie pred spustením.

Ako spoznáte poškodenú mechanickú upchávku?

Typické príznaky sú:

• únik kvapaliny z priestoru hriadeľa,
• pískanie alebo škrípanie počas prevádzky,
• zvýšená teplota v okolí upchávky,
• zmena sfarbenia alebo prehriatie gumových častí,
• prasknuté sedlo z karbidu kremíka (SC),
• opotrebovaný uhlíkový krúžok (CA),
• vibrácie čerpadla spôsobené poškodenou upchávkou

Dá sa mechanická upchávka opraviť?

Vo väčšine prípadov sa mechanická upchávka neopravuje, ale nahrádza novou. Poškodené pracovné plochy nemožno bežným spôsobom obnoviť a výmena je spravidla rýchlejšia aj hospodárnejšia. Pred montážou novej upchávky je však vždy potrebné odstrániť príčinu pôvodného poškodenia. V opačnom prípade môže v krátkom čase dôjsť k rovnakej poruche.

Ako predĺžiť životnosť mechanickej upchávky?

Životnosť mechanickej upchávky výrazne predĺži:

• správna montáž bez poškodenia tesniacich plôch,
• kontrola hádzavosti hriadeľa a stavu ložísk,
• dôkladné odvzdušnenie čerpadla pred spustením,
• zabránenie chodu nasucho,
• pravidelné preplachovanie pri čerpaní médií vytvárajúcich usadeniny,
• použitie správneho typu a materiálu mechanickej upchávky pre dané médium.

  ---

10 najčastejších príčin poškodenia mechanických upchávok

Mechanická upchávka patrí medzi najdôležitejšie súčasti každého čerpadla. Hoci je navrhnutá na dlhodobú prevádzku, jej životnosť výrazne ovplyvňujú prevádzkové podmienky, kvalita montáže aj správny výber materiálov. Z praxe servisu čerpadiel vyplýva, že väčšinu porúch upchávok spôsobujú nasledujúce príčiny.

Nižšie nájdete desať najčastejších príčin poškodenia mechanických upchávok, s ktorými sa stretávame pri opravách čerpadiel.

Ešte nižšie pod textom si pozrite fotografie poškodených upchávok.

1. Chod čerpadla nasucho

Chod nasucho je najčastejšou príčinou havárie mechanickej upchávky.

Tesniace plochy sú počas prevádzky chladené a mazané čerpanou kvapalinou. Ak kvapalina chýba, v priebehu niekoľkých sekúnd dôjde k prudkému nárastu teploty.

Typické následky:

• popraskané keramické krúžky,
• spálené gumové časti,
• deformácia kovových súčastí,
• rozlámané uhlíkové krúžky.

Ako zabrániť poškodeniu?  Používajte ochranu proti chodu nasucho. Napríklad kontrolu minimálnej hladiny plavákovými spínačmi, hladinovými sondami alebo softvérovými funkciami riadiacich systémov, napríklad CONTROL alebo frekvenčné meniče ECOPOWER.

2. Abrazívne opotrebovanie

Voda obsahujúca piesok, kal alebo iné pevné častice pôsobí ako brúsna pasta.

Najviac trpia mäkšie materiály, napríklad uhlík alebo nehrdzavejúca oceľ.

Typické prejavy:

• sústredné dráhy na pracovných plochách,
• zmatnenie sediel zo SiC,
• výrazné opotrebovanie krúžkov z nehrdzavejúcej ocele,
• postupné zvyšovanie úniku kvapaliny

Ako zabrániť poškodeniu?   Pre abrazívne médiá používajte materiály SiC/SiC (karbid kremíka) alebo TC/TC (karbid volfrámu).

3. Prevádzka pri uzavretom výtlaku

Ak čerpadlo beží proti uzavretému ventilu, kvapalina neprúdi a energia motora sa mení na teplo.

Teplota kvapaliny vnútri čerpadla rýchlo rastie a najmä vo vertikálnych čerpadlách môže v priestore mechanickej upchávky vzniknúť parný vankúš.

Následky:

• roztrhnuté časti z EPDM,
• zničené O-krúžky,
• rozlámané uhlíkové krúžky,
• prehriatie celého čerpadla.

Ako zabrániť poškodeniu?    Používajte  správne nastavený riadiaci systém, ktorý vypne čerpadlo pri zastavení prietoku, prípadne pri poklese pod nastavený minimálny prietok.

4. Kavitácia

Kavitácia vzniká pri poklese tlaku pod tlak nasýtených pár kvapaliny.

V kvapaline sa tvoria parné bubliny, ktoré následne implodujú.

Následkom býva:

• poškodenie obežných kolies,
• vibrácie,
• zvýšené zaťaženie mechanickej upchávky,
• skrátenie životnosti ložísk.

Ako zabrániť poškodeniu?     Dodržiavajte odporúčané prevádzkové podmienky čerpadla, najmä požadované hodnoty NPSH, a správne navrhnite sacie potrubie.

5. Dlhodobá odstávka čerpadla

Pri fekálnych a kalových čerpadlách často dochádza k zlepeniu pracovných plôch upchávky.

Usadeniny a zaschnuté nečistoty vytvoria medzi tesniacimi plochami pevný spoj.

Po spustení:

• rotačný krúžok sa nemusí uvoľniť,
• môže sa pretočiť v gumovej časti,
• upchávka prestane tesniť.

Ako zabrániť poškodeniu?     Nechajte čerpadlo pravidelne krátko pretočiť, napríklad raz za 48 hodín na 1–3 sekundy pomocou riadiacej jednotky (napr. CONTROL) alebo frekvenčného meniča (napr. ECOPOWER).

6. Nevhodne zvolený materiál gumy

Nie každá guma je vhodná pre každé médium.

Časté chyby:

• NBR v príliš horúcej vode,
• EPDM v minerálnych olejoch,
• FKM v niektorých alkalických roztokoch.

Výsledkom býva:

• napučiavanie,
• tvrdnutie,
• praskanie,
• strata pružnosti.

Ako zabrániť poškodeniu?    Materiál gumy vždy vyberajte podľa vlastností čerpaného média, jeho teploty a koncentrácie.

7. Vibrácie čerpadla

Vibrácie môžu byť spôsobené:

• nevyváženým obežným kolesom 
• poškodenými ložiskami,
• kavitáciou,
• nesprávnym uložením potrubia.

Mechanická upchávka je veľmi citlivá na vibrácie.

Typické následky:

• zvýšené opotrebovanie plôch,
• netesnosti,
• poškodenie gumových častí.

Ako zabrániť poškodeniu?     Pravidelne kontrolujte stav ložísk, hriadeľových spojok a vyváženie rotujúcich častí.

8. Nesúososť hriadeľa

Ak hriadeľ nebeží súoso, tesniace plochy sú zaťažované nerovnomerne.

To vedie k:

• nerovnomernému opotrebovaniu,
• vibráciám,
• zvýšenému úniku kvapaliny.

Často sa s tým stretávame po neodborných opravách.

Ako zabrániť poškodeniu?    Pri montáži vždy kontrolujte hádzavosť hriadeľa a stav ložísk.

9. Chemické poškodenie

Niektoré chemikálie napádajú nielen gumu, ale aj samotné pracovné plochy.

Typické príklady:

• oxidačné činidlá,
• kyseliny,
• zásady,
• rozpúšťadlá.

Poškodenie sa prejavuje:

• zmenou rozmerov,
• stratou pružnosti,
• koróziou kovových častí,
• rozpadom elastomérov.

Ako zabrániť poškodeniu?     Vždy overte kompatibilitu všetkých materiálov upchávky s chemickými vlastnosťami čerpaného média.

10. Nesprávna montáž

Aj kvalitná mechanická upchávka môže zlyhať v priebehu niekoľkých minút po montáži.

Časté chyby:

• poškriabanie pracovných plôch,
• montáž bez mazania O-krúžkov alebo manžiet
• použitie nevhodného náradia,
• znečistenie tesniacich plôch.

Výsledkom býva okamžitý alebo veľmi rýchly únik kvapaliny.

Ako zabrániť poškodeniu?     Pracujte v čistom prostredí, nepoužívajte ostré nástroje ani montážne postupy s údermi.

Záver

Vo väčšine prípadov nie je príčinou poruchy samotná mechanická upchávka, ale prevádzkové podmienky čerpadla alebo nesprávna montáž upchávky. Správny výber materiálov, kvalitná montáž a vhodne nastavený riadiaci systém dokážu predĺžiť životnosť upchávky z niekoľkých mesiacov na mnoho rokov.

Ak si nie ste istí výberom mechanickej upchávky alebo potrebujete určiť príčinu poruchy, pošlite fotografiu poškodenej upchávky a typ čerpadla. Vo väčšine prípadov možno poruchu pomerne presne určiť už podľa vzhľadu opotrebovania tesniacich plôch. Podľa toho možno zvážiť nápravu – výber iných materiálov upchávky alebo úpravu prevádzkových podmienok čerpadla.

Autor: Karel Buchtele, InTech – mechanické upchávky do čerpadiel a miešadiel
Praktické skúsenosti zo servisu čerpadiel a mechanických upchávok.

Ako rozlíšiť materiály SC a CA pri mechanických upchávkach?

Na fotografii je vľavo sedlo z karbidu kremíka (SC) a vpravo rotačný krúžok z uhlíka (CA). Oba materiály majú úplne odlišné vlastnosti, ktoré možno ľahko rozpoznať aj bez laboratórneho vybavenia.

• SC – karbid kremíka má lesklý až zrkadlový povrch a pôsobí „kovovým“ dojmom. Je mimoriadne tvrdý – nemožno ho poškriabať nožom ani pilníkom. Je však pomerne krehký a pri náraze alebo nesprávnej montáži môže prasknúť alebo sa z neho môže odlomiť časť materiálu. Lomové plochy majú veľmi ostré hrany.
• CA – uhlík (karbón) má matnejší, tmavší vzhľad a je podstatne mäkší. Jeho povrch možno poškriabať alebo dokonca narezať ostrým nožom. Práve preto sa pri chode nasucho alebo pri prítomnosti nečistôt zvyčajne opotrebuje skôr než sedlo z karbidu kremíka.

Praktická pomôcka na identifikáciu:

•  SC – lesklejší, veľmi tvrdý, nemožno ho narezať nožom ani pilníkom, ale pri preťažení sa môže odlomiť.
• CA – matnejší, mäkší, možno ho poškriabať alebo narezať ostrým nožom.

Tieto jednoduché rozdiely pomôžu pri kontrole opotrebovaných mechanických upchávok rýchlo určiť materiál tesniacich plôch a správne posúdiť príčinu ich poškodenia.  (Autor  Karel Buchtele, Intech. Pre detail kliknite na fotografiu pravým tlačidlom a zvoľte zobrazenie na novej karte)