Обеспечение герметичности технологического
оборудования
Под герметичностью понимают непроницаемость оболочки (корпуса) оборудования, отдельных ее элементов, их соединений для газов, паров, жидкостей и пылей.
Герметичность оборудования характеризуется количеством выходящих из аппарата (или засасываемых в него при вакууме) жидкости, паров или газов в единицу времени. Количественно герметичность принято определять степенью герметичности   , представляющей собой процентное отношение конечного давления в аппарате (трубопроводе) к начальному в нем давлению, отнесенным к единице времени:
 % , (1)
где Pк, Рн - конечное и начальное давление в аппарате; Тн, Тк - температура в начале и в конце испытания;  - время испытания, ч.
Утечки зависят от характера и размеров неплотностей в оборудовании, пористости материала, разности давлений снаружи и внутри аппарата, величины удельных давлений, создаваемых на соприкасающихся поверхностях, физических свойств рабочей среды, способов соединения отдельных элементов оборудования.
Соединения между отдельными частями оборудования могут быть неподвижными и подвижными. Неподвижные соединения подразделяются на неразъемные и разъемные.
Неразъемные соединения осуществляются сваркой, реже пайкой, развальцовкой, чеканкой, применением специальных цементов и герметиков. Неразъемные соединения, особенно изготовленные сваркой, обладают высокой герметичностью, но не всегда их можно применить. Когда по условиям технологии требуется частая разборка аппаратуры и трубопроводов для чистки, проверки, замены, применяют фланцевые или резьбовые разъемные соединения.
3.1. Герметизация соединения элементов частей аппаратов и
трубопроводов
Для герметизации разъемных соединений применяют беспрокладочные уплотнения или уплотнения с прокладками. Силы упругой деформации используются в беспрокладочных соединениях с тщательно пришлифованными поверхностями. Сюда относятся линзовые уплотнения, используемые в аппаратах высокого давления (до 200 МПа), а также плоские, конические и сферические уплотнения седел и клапанов в запорной и регулировочной арматуре. Под действием осевых сил в месте касания двух поверхностей возникает поясок деформации материала, который и создает необходимое уплотнение.
Принцип действия разъемного соединения, уплотняемого прокладкой, основан на пластической деформации материала прокладки. Степень герметизации зависит от степени сжатия прокладки. Прокладки должны обладать хорошей деформируемостью, достаточной упругостью, быть устойчивыми при рабочих температуре и давлении, а также в коррозионной среде. Рекомендации по выбору материала прокладки в зависимости от условий эксплуатации представлены в табл.1.
Герметичность соединения возрастает с увеличением удельного давления на прокладку. Этим в значительной мере определяется выбор уплотнительной поверхности фланцев. Например, плоские фланцы с уплотнительными канавками используют в основном для соединения аппаратов и трубопроводов, работающих с нетоксичными и негорючими средами при давлениях до 2,5 МПа. При более высоких давлениях, а также при работе с ядовитыми и взрывопожароопасными веществами и вакууме применяют торцевые поверхности фланцев, по типу "выступ-впадина" или "шип-паз".
Для обеспечения требуемой герметичности аппаратов в местах выхода валов наиболее широкое применение нашли сальниковые, торцовые и лабиринтные уплотнения.
Таблица 1
Материалы уплотнительных прокладок
Материал
|
Рабочая среда
|
Давление, МПа
|
Температура,0С
|
Сталь нержавеющая
|
Пищевые продукты
|
20
|
200
|
Медь
|
Нефтепродукты, газы неагрессивные, вода, пар
|
40
|
300
|
Свинец
|
Агрессивные среды
|
Без ограничения
|
200
|
Паронит
|
Вода, пар, нефтепродукты, масла, щелочи, газы, спирт, серная кислота
|
5
|
450
|
Резина
|
Вода, пищевые жидкости, неагрессивные масла
|
2,5
|
- 30 - +90
|
Фторопласт
|
Вода, воздух, щелочи, кислоты
|
1
|
- 195 - +260
|
Асбест
|
Растворители, нефтепродукты, кислоты, агрессивные газы
|
3
|
450
|
Сальниковые уплотнения применяются на аппаратах, содержащих нейтральные, невзрывоопасные и нетоксичные среды с относительно невысокой температурой. Их используют также для уплотнения арматуры (вентилей, задвижек). Схема простейшего сальникового уплотнения показана на рис. 1.
Сальниковые набивки изготавливаются из легкодеформируемых материалов, обладающих при этом достаточной упругостью: пеньки, асбеста, резины, полиэтилена, фторопласта. Набивку из пеньки, асбеста и других волокнистых материалов пропитывают смазочными маслами, графитом, парафином. Выбор материала набивки определяется температурой и давлением в аппарате, свойствами герметизируемой среды /1/. Толщина слоя набивки S должна быть не менее 3-4 мм. Среднее значение определяется зависимостью
 , (2)
а его высота
 . (3)
Обслуживание сальниковых устройств заключается в их подтяжке, замене набивки для компенсации износа, в поддержании нормальной смазки набивки.
Для улучшения герметичности сальниковых уплотнений используют пружины (путем увеличения прижимной силы) или давление инертного газа. Но такие уплотнения сложны по устройству.
|
|
|
|
Рис.1 Схема сальникового уплотнения
1 – корпус; 2 – нажимная крышка букса; 3 – вал; 4 – пространство между валом и крышкой для набивки
|
Торцовые уплотнения наибольшее применение нашли для уплотнения валов аппаратов, содержащих взрывоопасные, пожароопасные и токсичные среды. Торцовые уплотнения весьма разнообразны по конструкциям, хотя все построены по одной схеме (рис. 2) /1/.
Вал 1 связан упругим элементом 4 с кольцом 2. Торцовая поверхность кольца 2 под воздействием упругого элемента 4 прижимается к неподвижному кольцу 3, соединенному с корпусом аппарата 6 через другой упругий элемент 5. Упругие элементы 4 и 5 должны обеспечивать постоянное и плотное прилегание колец 2 и 3 даже при вибрациях и смещениях вала и износе соприкасающихся поверхностей пары трения.
Торцовые уплотнения обеспечивают высокую герметичность, если радиальное и угловое биение вала аппарата, а также смещения неподвижных деталей корпуса уплотнения относительно оси вала не превышают 0,2 мм и 0,250 соответственно.
|
|
|
|
Рис. 2. Схема торцевого
уплотнения
1 – вал; 2 – вращающееся кольцо;
3 – неподвижное кольцо;
4 – вращающийся упругий элмент; 5 – неподвижный упругий элемент; 6 – корпус
|
Большое значение имеет выбор материала трущихся пар: одно из колец изготовляют из более мягкого материала, например, графита, другое - из более твердого (стали, керамика). Торцовые уплотнения могут быть одинарными или двойными, являющимся комбинацией двух одинарных. Обычно в торцовые уплотнения подается затворная жидкость давлением, превосходящим давление запираемой среды на 50-100 кПа. Затворная жидкость одновременно обеспечивает охлаждение и смазку деталей уплотнения. В качестве затворной жидкости применяют обессоленную воду, масло или другие жидкости, химически совместимые с рабочей средой, но нетоксичные и невзрывоопасные. Температура затворной жидкости на выходе из уплотнения не должна превышать 800С.
Преимуществами торцовых уплотнений являются высокая степень герметичности, небольшие потери мощности на трение (10-50% от мощности, потребляемой сальниковыми уплотнениями), способность работать в большом диапазоне давлений (от глубокого вакуума до 45 МПа) при температуре до 4500С и другие.
Вместе с тем торцовые уплотнения характеризуются высокой стоимостью, сложностью конструкции, трудоемкостью монтажа и ремонта, трудностью подбора материала для пар трения.
Появление лабиринтных бесконтактных уплотнений вызвано недостатками контактных (сальниковых, торцовых и др.) уплотнений: значительным износом трущихся частей, потерями энергии на трение, трудностями отвода тепла трения из зоны уплотнения, необходимостью постоянного наблюдения за состоянием уплотнений в процессе их эксплуатации. Некоторые из этих недостатков устраняются в лабиринтных уплотнениях (рис. 3).
а
|
б
|
Принцип действия лабиринтного уплотнения основан на потерях энергии при движении среды в зазорах и расширительных камерах, образуемых между движущимися и неподвижными деталями уплотнения, которые не соприкасаются между собой. Протекающие через зазоры жидкость или газ подвергаются дросселированию, теряют скорость и давление,
|
Рис. 3. Схема лабиринтного уплотнения:
а – с радиальной щелью; б – с осевой
щелью
|
причем конечная утечка среды может быть практически приемлемой для заданных условий эксплуатации или может быть вовсе прекращена запирающим противодавлением.
Лабиринтные уплотнения применяют при больших скоростях вращения валов и высокой температуре среды, например в компрессорах, насосах, газодувках, турбинах. Недостатком лабиринтных уплотнений является утечка продукта при прекращении вращения вала, что ограничивает их применение для взрывоопасных и токсичных веществ. Этот недостаток может быть устранен комбинированием бесконтактных уплотнений с уплотнениями контактного типа.
В производствах, связанных с применением особо взрывоопасных или сильнодействующих ядовитых веществ, когда утечки продуктов должны быть полностью исключены, используют полностью герметизированные машины и аппараты, в которых предусмотрен бесконтактный метод передачи движения, например, с помощью экранированного электродвигателя (рис. 4).
На вал 1 насаживается ротор 4 асинхронного электродвигателя. Статор электродвигателя 2 отделяется от ротора 2 экраном 3 из немагнитного материала (аустенитовой стали, нихрома и др.). Экран 3 герметично прикрепляется к корпусу 5 насоса. Обмотка статора охлаждается маслом, находящимся в колпаке 6; масло в свою очередь охлаждается водой, пропускаемой через змеевик 7. Рабочее колесо 8 вращается под действием магнитного поля, передающего крутящий момент через экранированную гильзу. Таким образом, вращающийся вал не выходит из корпуса аппарата, и, следовательно, не требуются уплотнения.
Применение экранированных электродвигателей позволя- ет герметизировать оборудова-
|
|
Рис. 4. Схема бессальникового герметичного центробежного насоса:
1 – вал электродвигателя; 2 – статор;
3 - экран из немагнитного материала;
4 – ротор электродвигателя; 5 - корпус насоса; 6 – колпак; 7 – змеевик для охлаждающей воды; 8 – рабочее колесо насоса
|
ние многих видов: центрифуги, мешалки, реакторы и др. Они являются в ряде случаев единственно приемлемыми.
3.2. Испытание оборудования на герметичность
Технологическое оборудование, в котором обращаются горючие, взрывоопасные или токсичные газы (или жидкости) под давлением, испытывают на герметичность в соответствии с действующими нормативными документами /2, 3/.
Пневматические испытания на герметичность заключаются в создании в аппарате или трубопроводе максимально разрешенного рабочего давления и контроля его падения в течение не менее 4 часов при периодической проверке и 24 часов для вновь устанавливаемых аппаратов. Потери давления рассчитывают по формуле (1). Вновь устанавливаемое оборудование считается выдержавшим испытание на герметичность, если падение давления в нем за 1 час не превышает 0,1% при пожаро-и взрывоопасных средах. В оборудовании, подвергающемся повторному испытанию, допускается падение давления до 0,5% в час.
Порядок подготовки и проведения испытаний трубопроводов не отличается от принятого для технологического оборудования. При этом цеховые трубопроводы испытывают совместно с оборудованием цеха. При испытании цеховых и межцеховых трубопроводов для разных сред допускается следующее падение давления ( в % от испытательного):
Трубопроводы
|
Токсичные газы
|
Другие взрывоопасные газы
|
Воздух и инертные газы
|
Цеховые (в помещении)
|
0,05
|
0,10
|
0,2
|
Межцеховые (вне помещения)
|
0,1
|
0,2
|
0,4
|
При испытании газопроводов диаметром более 250 мм падение давления определяют умножением проведенных выше значений на поправочный коэффициент К, подсчитываемый по формуле
.  (4)
где Dвн. - внутренний диаметр испытуемого газопровода, мм.
Если потери давления при испытании превышают нормы, то необходимо найти место утечки. Для этого используют специальные приборы (течеискатели) или обмазывают швы, сальники, арматуру и разъемные соединения мыльным раствором.
После обнаружения мест утечек давление должно быть полностью снято и причины пропусков устранены. Устранение дефектов и подтяжка крепежных соединений, а также обстукивание корпуса оборудования, находящегося под давлением, не допускаются. После устранения дефектов испытания на герметичность проводят повторно.
|
