Двойное торцевое уплотнение: когда нужно и как устроено

Когда одинарного торцевого уплотнения уже мало

Одинарное торцевое уплотнение держит среду одной парой трения, и между кольцами всегда идёт тонкая плёнка перекачиваемой жидкости. Часть её испаряется наружу. Для воды и большинства масел такая утечка измеряется каплями и никому не мешает. Если же в насосе бензол, сжиженный газ, сероводородсодержащая нефть или кислота, каждая капля на стороне атмосферы становится вопросом промышленной безопасности.

Вторая причина перейти на двойную схему связана с работой самой пары. Кристаллизующиеся растворы оставляют на кольцах соль, вязкие продукты рвут плёнку, абразив царапает торцы, а при сухом ходе пара перегревается за минуты. Затворная жидкость между двумя уплотнениями смазывает и охлаждает пары трения, поэтому торцы трутся в чистой жидкости затвора. Как выглядят следы такого износа на одинарной паре, видно по разбору причин течи торцевого уплотнения.

Когда нужно двойное торцевое уплотнение?

Двойное торцевое уплотнение нужно, когда перекачиваемая среда токсична, горюча или летуча и её выход в атмосферу недопустим, а также когда одинарная пара не получает нормальной смазки: кристаллизующиеся растворы, полимеризующиеся и вязкие продукты, абразивные суспензии, риск сухого хода. В нефтегазовых насосах требования к таким системам задаёт ГОСТ 32600-2013, а окончательную схему выбирают по давлению в камере уплотнения.

Две пары трения и полость между ними

Двойное уплотнение состоит из двух торцевых уплотнений на одном валу. Внутреннее стоит со стороны продукта, наружное со стороны атмосферы. Между ними образуется замкнутая полость, в которую подают затворную или буферную жидкость, а иногда газ. Узел делит перепад давления и защиту от утечки между двумя парами, и отказ одной из них ещё не означает выброса продукта.

Каждая пара устроена как в одинарном уплотнении: вращающееся кольцо, неподвижное кольцо, пружины или сильфон, вторичные резиновые кольца. Сегодня двойные уплотнения чаще поставляют картриджем: гильза, крышка, обе пары и штуцеры собраны и выставлены на заводе. Картридж ставят целиком, установочный размер задан конструкцией, поэтому риск ошибиться с ним ниже, но порядок монтажа и пуска по инструкции изготовителя всё равно соблюдают.

Для насосов нефтяной и газовой промышленности требования к уплотнительным системам вала собраны в ГОСТ 32600-2013. Стандарт введён с 1 ноября 2014 года, построен на требованиях ISO 21049:2004 и распространяется на валы диаметром от 20 до 110 мм. Схемы обвязки в отрасли обычно называют номерами планов API 682, и производители уплотнений указывают их в паспортах.

Тандем, «спина к спине» и «лицом к лицу» различаются давлением в полости

В тандеме обе пары смотрят в одну сторону. Внутренняя держит полное давление продукта, а наружная работает на буферной жидкости с давлением ниже, чем в камере уплотнения. Если внутренняя пара износится, продукт уйдёт в буфер, а наружная примет на себя роль резервного уплотнения до плановой остановки.

Схема «спина к спине» ставит пары тыльными сторонами друг к другу. Её применяют с затворной жидкостью под давлением выше давления продукта: утечка идёт внутрь насоса, наружу продукт не выходит. Схема «лицом к лицу» даёт короткий по длине узел, удобный для тесных камер и картриджей. Встречается она и с затворной, и с буферной жидкостью, поэтому само название схемы ещё не говорит, под каким давлением работает полость.

Буферная жидкость без давления и затворная под давлением

Чем затворная жидкость отличается от буферной?

Затворная жидкость в двойном торцевом уплотнении находится под давлением выше давления продукта, поэтому утечка внутренней пары идёт из полости в насос, а продукт наружу не попадает. Буферная жидкость стоит без давления или с давлением ниже, чем в камере уплотнения, и принимает утечку продукта на себя. Затворную выбирают, когда её попадание в продукт допустимо, буферную, когда нет.

У каждой схемы своя цена. Затворная жидкость в малых количествах уходит в продукт, и технолог должен согласиться с таким загрязнением: для пищевых и фармацевтических линий её подбирают отдельно. Буферная схема не загрязняет продукт, зато бачок принимает утечку, и пары продукта отводят по линии сброса, как правило на факел. Перекрытая или заглушенная линия сброса в такой схеме превращает бачок в сосуд с горючей средой.

По описанию планов API 682 в обзоре Fabrico буферный бачок плана 52 держат ниже давления в камере уплотнения. Планы 53A, 53B и 53C держат затворную жидкость выше давления продукта. В 53A азотная подушка контактирует с жидкостью напрямую, в 53B азот отделён баллонным аккумулятором, в 53C поршневой аккумулятор связан с камерой уплотнения, и давление затвора следует за давлением продукта. Газовые варианты для сухих уплотнений описаны как планы 72 и 74.

Расчёт давления затворной жидкости на примере насоса

Производитель двойных уплотнений АНОД для своих изделий указывает, что давление затворной жидкости должно превышать давление уплотняемой среды на 0,1–0,3 МПа. В том же описании давление затворной жидкости для одного из исполнений ограничено 1,6 МПа, а давление уплотняемой среды допускается до 10 МПа. Это данные конкретной модели, у других изготовителей пределы свои.

Пример: в камере уплотнения насоса по паспорту 0,6 МПа. Затворную жидкость задают на 0,7–0,9 МПа. Внутренняя пара тогда работает на перепаде 0,1–0,3 МПа, а наружная держит всё давление затвора относительно атмосферы, то есть 0,7–0,9 МПа. Получается, что в схеме с затвором наружная пара нагружена сильнее внутренней, и её износ виден первым по падению уровня в бачке.

Пример второй: в камере уплотнения 1,5 МПа. По тому же правилу затвору нужно 1,6–1,8 МПа, а это выходит за предел 1,6 МПа для исполнения из описания. Значит, нужна другая модель или другая система подачи: аккумулятор, отдельная станция затвора по плану 54. Такой вывод делает изготовитель уплотнения по полной анкете насоса, и цифра из паспорта насоса здесь только начало разговора.

Давление в камере уплотнения не равно давлению нагнетания. Оно зависит от конструкции рабочего колеса и давления на всасывании, поэтому его берут из данных изготовителя насоса или измеряют на работающем агрегате. Если в расчёт подставить давление нагнетания, затвор окажется завышен, наружная пара перегружена, а ресурс уплотнения уменьшится.

Какое давление затворной жидкости нужно?

Давление затворной жидкости двойного торцевого уплотнения задают выше давления в камере уплотнения насоса, а не выше давления нагнетания. Один из российских производителей указывает для своих изделий превышение 0,1–0,3 МПа. Точный запас и предельное давление затвора назначает изготовитель уплотнения по модели картриджа, потому что от них зависят нагрузка на наружную пару и выбор системы подачи жидкости.

Бачок, термосифон и станция затвора

Система затвора включает бачок с указателем уровня, трубопроводы подачи и возврата, источник давления и средства контроля. В простых схемах жидкость циркулирует термосифоном: нагретая поднимается в бачок, остывшая опускается к уплотнению. На быстроходных насосах внутри картриджа ставят насосное кольцо, которое гонит жидкость по контуру принудительно. В бачке бывает змеевик охлаждения, если пары выделяют много тепла.

При плане 53A азотная подушка в контакте с жидкостью при высоком давлении частично растворяется в ней, поэтому для высоких давлений переходят на аккумуляторы. План 54 означает внешнюю станцию: отдельный насос подаёт затворную жидкость в одно или несколько уплотнений. Станция дороже бачка, зато держит давление и температуру затвора независимо от насоса.

Контроль строится на трёх сигналах: уровень в бачке, давление в контуре и температура жидкости. Падение уровня говорит об утечке через одну из пар, рост уровня в буферной схеме об утечке продукта внутрь. Записи этих трёх величин в журнал обходов дают ремонтной службе срок остановки до аварии.

Кольца внутренней пары касаются двух сред сразу

Пара трения из карбида кремния или графита в двойном уплотнении служит долго, а резиновые вторичные кольца стареют быстрее и по другим причинам. Их ставят под вращающееся и неподвижное кольца каждой пары, на гильзу вала и на крышку картриджа. В двойной схеме у них появляется особенность, которой нет в одинарной: одно и то же кольцо может одновременно касаться продукта и затворной жидкости.

Классификация Сивиза для заказа колец двойного уплотнения делит их по тому, какие среды они видят:

Отсюда частая ошибка при замене: кольца внутренней пары берут по продукту и забывают про затворную жидкость. Например, продукт водный, затвор масляный: EPDM выдержит воду, но набухнет в масле. NBR выдержит масло, но может не подойти к продукту с кислотой. Для таких сочетаний часто рассматривают фторкаучук FKM, но и у него есть слабые места, в том числе горячая вода, пар, амины и кетоны у марок общего назначения.

Из чего делают кольца двойного торцевого уплотнения?

Кольца двойного торцевого уплотнения делают из эластомера, стойкого к обеим средам, с которыми они соприкасаются: к продукту и к затворной жидкости для внутренней пары, к затворной жидкости и воздуху для наружной. Применяют NBR, EPDM, FKM, перфторэластомер FFKM и кольца с фторопластовой оболочкой. Марку назначают по паспорту уплотнения или по двум средам и температуре затвора.

Пары трения, пружины и корпус картриджа меняет изготовитель уплотнения, а резиновые и фторопластовые кольца нестандартных размеров для ремонта таких узлов изготавливают по паспорту, чертежу или снятому образцу. Граница между тем, что в торцевом уплотнении меняют по образцу, и тем, что требует нового картриджа, проходит по деталям торцевого уплотнения, которые заменяют по образцу.

Светофор заявки на детали двойного уплотнения

Двойные уплотнения стоят на опасных средах, поэтому заявку на кольца к ним удобно рассортировать по риску до расчёта цены; цвета ниже даны по классификации Сивиза как ориентир. От цвета зависит, сколько данных понадобится изготовителю и можно ли браться за работу без отдельной оценки.

Зелёный: известен паспорт картриджа, есть каталожная таблица колец с размерами и маркой эластомера, насос перекачивает воду, масло или другую неагрессивную среду. Кольца делаются по спецификации заказчика, материал в КП записан как заданный вами.

Жёлтый: марка резины неизвестна, есть только старые кольца, или затворная жидкость менялась с момента поставки. Нужна техническая оценка: состав продукта и затвора, температура в полости, давление затвора. В КП материал записывается как предложение изготовителя с основанием подбора, и вы его письменно согласуете.

Красный: сжиженные углеводородные газы, сероводород, хлор, кислород, сильные окислители, давление в камере уплотнения выше 1,6 МПа, пищевой или фармацевтический продукт. Детали для газового оборудования мы принимаем только после отдельной технической оценки; если подтвердить характеристики колец для вашего узла нельзя, от заказа отказываемся. В красной зоне правильный путь часто идёт через изготовителя уплотнения или ремонтный сервис, который отвечает за картридж целиком.

Что собрать до разговора с изготовителем

По двойному уплотнению данные нужны шире, чем по одинарному, потому что сред в узле две. Для колец и прокладок картриджа соберите:

• марку насоса и уплотнения, номер картриджа или плана обвязки из паспорта;
• перекачиваемую среду с концентрацией, температурой и давлением в камере уплотнения;
• затворную или буферную жидкость: что залито сейчас и что указано в паспорте;
• размеры колец или старые кольца, отдельно по каждой позиции из таблицы выше;
• сколько уплотнений в работе и сколько комплектов нужно в запас к ремонту.

Размеры удобно передать чертежом картриджа или фото колец рядом с линейкой. Для красной зоны к ним добавьте паспорт уплотнения: без него никто не скажет, подходит ли материал к сочетанию сред.

Решение по схеме остаётся за инженером насоса

Перевод насоса с одинарного уплотнения на двойное меняет обвязку и порядок пуска. Пуск без заполненной системы затвора, работа с перекрытым сбросом буферного бачка, замена затворной жидкости на «похожую» сводят защиту двойной схемы к нулю. Поэтому схему, давление затвора и материал пар выбирает изготовитель уплотнения вместе с механиком установки, а ремонт картриджа выполняет обученный персонал или сервис производителя.

Ремонтная служба может заранее сделать свою часть работы: составить таблицу колец по позициям, записать обе среды и держать запас комплектов к плановой остановке. Тогда при ремонте не придётся подбирать резину по случайному кольцу из шкафа. Место двойного уплотнения среди манжет, набивки и других способов герметизации видно по вариантам уплотнения вращающегося вала, а остальные детали насосов относятся к уплотнениям для насосов и гидравлики.

Схема выше сводит выбор к трём вопросам. Если утечка среды наружу опасна и затворная жидкость в продукте допустима, ставят двойное уплотнение с затворной жидкостью под давлением, планы 53 или 54. Если утечка опасна, а затвор в продукте недопустим, рассматривают тандем с буферной жидкостью без давления по плану 52 или газовый затвор. Если утечка неопасна, но продукт плохо смазывает пару (кристаллизуется, слишком вязкий или возможен сухой ход), двойная схема нужна ради смазки и охлаждения пар. В остальных случаях обычно хватает одинарного уплотнения с промывкой.

Нормы приведены по состоянию на октябрь 2026 года. Данные о материалах — ориентир для марок общего назначения; материал, размеры и допуски для вашего узла фиксируются в КП после технической оценки.