Введение к работе
Актуальность проблемы
В азотной промышленности, являющейся одной из подотраслей химической промышленности, применяется оборудование, в котором практически в каждой единице присутствует уплотнительный узел.
Применяются практически все известные типы уплотнений как для неподвижных, тан и для подвижных соединений - различные прокладки, манжеты, о- образные кольца, механические уплотнения,щелевые уплотнения, динамические уплотнения и т.п.
Особенностью уплотнительных узлов азотной промышленности является их использование в оборудовании высокого давления: в компрессорах высокого давления, насосах высокого давления, арматуре высокого давления, аппаратах высокого давления, трубопроводном транспорте высокого давления. Высокое давление упяотнительной среды накладывает свои решения на конструкции уплотнений и эти конструкции значительно о,тличпются от обычных уплотнительных узлов широко применяемых в различном оборудовании.
Основным отличием уплотнений высокого давления является применение наборных (каскадных) уплотнений, состоящих из нескольких' единичных элементов известных типов уплотнений,например, поршневых колец, о- образных колец, трапецеидальных сальниковых уплотнителей.
Исследования каскадных уплотнений, опубликованные в- ряде работ Секуновой О.Н., Ушакова И.С, Завойко A.M., Новикова И.И.,Энг-лиша К., Анисимова С.А., Века В., Трутновского К. и др. открыли некоторые закономерности в механизме работы отдельных составляющих элементов в целом каскаде. Эти работы-дали большой толчок в развитии уплотнительной техники, особенно для высокого давления.В патентных фондах имеется огромное количество изобретений по уплотнительной технике.
Вместе с тем развитие техники создания -компрессоров высокого давления, насосов высокого давления, аппаратуры требовало разработки все новых и новых конструкций,отвечающих самым высоким требованиям по надежности, долговечности и экономичности. Эти проблемы решались различными путями, основными из которых были - разработка специальных материалов, особенно полимерных, разработка новых конструкций динамических уплотнений, разработка -новых смазочных материалов. Огромное влияние на разработку новых уплотнительных узлов оказало создание компрессоров, работающих без смазки. В настоящее время сухие уплотнения работают в промышленном оборудовании лаже при вращательном движении с большими окружными скоростями.
Разработка высоконадежных конструкций компенсационных сальниковых уплотнений для подводных и надводных переходов магистрального аммиакопровода потребовала решения задачи создания сальникового уплотнения, работающего по необработанной поверхности трубопровода и, что особенно важно, без ремонта в течение 10 и более лет, т.к. доступ к находящемуся под землей аммиакопроводу затруднен.
Анализ использования уплотнений в оборудовании азотной промышленности показал, что для подвижных соединений высокого давления уплотнительные узлы разрабатываются, как правило, каскадного типа, а уплотнительньш элементом в том или ином виде являются поршневые кольца, сальниковые металлические уплотнения, торцевые уплотнения и сальниковые уплотнения из резиновых уплотнительных элементов различной конфигурации.При этом оборудование как правило насыщено уплотнениями.
Так Например, на одном только компрессоре высокого давления производства аммиака установлено до 18 самых ответственных многокаскадных уплотнительных узлов. Практически 60 X остановок оборудования связано с ремонтом уплотнительных узлов компрессоров, центробежных- и плунжерных насосов в/д.
В технике высокого давления - нарушение герметичности - основ ная причина отказа. Несмотря на значительный прогресс в области уплотнительной техники не создано абсолютно надежного уплотнения. Большое число иностранных фирм работает в этой области. Получили большое распространение специализация фирм: по материалам,конструкциями, уплотнительным устройствам для различных уплотнений в различных условиях. Наиболее известные производители уплотнений -это фирмы Бургманн в Германии, Пасифик в Германии, Флехсибокс в Англии, Силол в США, в Индии, 'Крейн Пекинг в Англии, Дюн Крейн в Англии и др. В Российской Федерации специализированными заводами являются завод в т.Нальчике и завод в г.Дзержинске, выпускающие механические торцовые уплотнения, а также ряд насосных заводов, имеющие собственные производства уплотнений.
-Всё без -исключения фирмы работают в области совершенствования уплотнёний-'с единственной целью - увеличить ресурс работы, повнситі долговечность и надежность.
В химической промышленности, перенасыщенной уплотнительными устройствами, проблема повышения надеаности и долговечности - одна из важнейших.
Цель работы
Целью работы является изучение механизма работы и распределение давления по многокаскадному уплотнению высокого давления при уплотнении постоянного и переменного давления, изучение механизма работы единичного уплотнительного элемента при переменном уплотняемом давлении, изучение течения газа в узких щелях,как при постоянном, так и переменном давлении, и создание теоретических основ расчета разгруженного от действия переменного давления многокаскадного уплотнения высокого давления, разработка новых конструкций уплотнений повышенной надежности о учетом связывания конструкций многокаскадных уплотнений с механизмом,работы как всей конструкции, так и составляющих ее элементов при высоком давлении, а также создание компенсационных сальниковых уплотнений для подводных и надводных переходов магистрального аммиакопровода Тольятти-Одесса. Задача создания компенсационных сальниковых уплотнений, работающих на необработанной трубе аммиакопровода. в течение 15 лет без ремонтов решена в России и СНГ впервые. Она позволила создать надежные конструкции аммиакопровода.
Научная новизна диссертационной работы
Установлен на основании экспериментальных-исследований механизм работы и распределение перепада давления.по. многокаскадному уплотнению как при,постоянном, так и при,переменном,давлении,который показал, что основное падение.,давления, по,. длине^ многоступенчау. того, уплотнения происходит либо на последнем, уплотните.'гьном элементе при постоянном,давлении, либо на первом уплотяитвльном,элементе - при переменном давлении, либо и на первом, и. на послелог по/ работе в условиях переменного давления, и,высоком давлении всасывания.
Установлен механизм работы единичного, уплотнительного, элемента, при переменном давлении. При,этом,экспериментально и теоретически доказано, что несмотря, на основное, преломление пульсирующего давления на первом уплотнительном,элементе, возможно создание, таких, конструкций уплотнителей, которые не. будут.увеличивать, силу, трения, при повышении давления. Данные эксперименты;выполнены,впервые а, практике отечественных,исследований. Автору неизвестны аналогичные иностранные.публикации,
В,течение длительных, (более 10. лет), экспериментов доказана, врэмряность создания, компенсационных, сальниковых, уплотнений-, для, работы по, необработанной' поверхности трубопроводов, в. условиях, их., перемещекия.
Разработана методика исследования единичного уплотнитель-ного элемента при переменном давлении.
Изучены закономерности течения газа в узких щелях при постоянном и переменном давлении. Установлены потери амплитуды пульсирующего давления на входе в узкие щели как для жидкости, так и для газов.
Теоретически обоснован механизм разгрузки уплотнений высокого давления. Выведены обобщающие зависимости.
Установлены на основании результатов аналитических и экспериментальных исследований соотношения геометрических размеров уплотнений различных типов.
Испытаны перспективные опытные конструкции уплотнений для насосов в/д, компрессоров в/д, магистральных трубопроводов, механических уплотнений центробежных насосов.
Новыми являются:
-
Патентнозащитенные конструкции уплотнительных устройств компрессоров в/д, насосов в/д, трубопроводов широко внедренные в промышленность.
-
Впервые созданные в СССР уплотнительные компенсационные сальниковые уплотнения для магистрального аммиакопровода.
-
Конструкции и методы расчета уплотнительных элементов,работающих при переменном давлении.
-
Конструкции подводных и надводных переходов аммиакопровода.
-
Построение модели разгрузки уплотнительного элемента при переменном давлении. Экспериментальное его подтверждение на основе измерения силы трения при переменном давлении перед уплотни-тельным элементом.
-
Экспериментальное обоснование эпюры давления в подвижном зазоре уплотнения при постоянном давлении без смазки.
-
Конструкции сальниковых уплотнений с предотвращением заноса масла в цилиндры компрессоров для компрессоров без смазки.
-
Конструкции разгруженных сальников насосов.
-
Новые конструкции механических уплотнений.
Практическое значение и реализация По выполненным научным" разработкам созданы новые конструкции, уплотнений для оборудования высокого давления (компрессоров с/Д, насосов в/д, механические торцовые уплотнения, уплотнения для магистрального аммиакопровода). Рекомендации по конструкциям обоб--щены в рамках нормативно-технических материалов или заложены в . проектные решения (аммиакопровод),утвержденные Госстроем СССР.
Около ЗО % парка поршневых компрессоров высокого давления азотной промышленности было переведено на разработанные новые конструкции поршневых уплотнений.
В промышленности широкое внедрение получили новые конструкции поршневых колец, сальников, механические уплотнения. Создано и внедрено на трассе аммиакопровода компенсационное сальниковое уплотнение на подводных и надводных переходах через крупные реки и питьевые каналы (около 100 переходов). Экономический эффект от внедрения только одного компенсационного сальника составил около 800 тыс.руб. в ценах 1980 года. Общий экономический эффект, подтвержденный актами внедрения превышает 5 млн.руб. в ценах 1980 г., или 8 млрд.руб. в ценах 01.01.94.
Организовано изготовление широкого класса механических уплотнений для насосного оборудования на Новомосковском производственном филиале фирмы "Агрохимреммаш". В основу изготовляемых конструкций заложены технические решения, рассмотренные в данной диссертации.
Апробация работы
Основные положения диссертации изложены в трех монографиях по техническому обслуживании и ремонту поршневых компрессоров, центробежных насосов и компрессоров. Опубликовано более 50 научных публикаций, 43 авторских свидетельства. По результатам проведены разработки руководящих технических материалов, сделаны доклады на двух международных конференциях и трех всесоюзных конференциях.
На защиту представляются научные и практические результаты выполненного комплекса работ, явившиеся основой, для разработки и создания новых конструкций уплотнений с повышенной надежностью и долговечностью для оборудования азотной промышленности, а.такие перспективные изобретения и новые конструкции компенсационных сальниковых уплотнений для магистрального аммиакопровода.
Автор защищает новые представления по механизму нагружения единичных уплотнительных элементов в многокаскадном уплотнении высокого давления, теоретические и практические результаты по разгрузке уплотнений высокого давления, полученные на примере оборудования азотной промышленности, а также практические конструкции новых уплотнений внедренные и работавшие в промышленности. Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения,приложений, списка литературы из 230 наименований. Объем работы (без приложений и литературы) 215 страниц машинописного текста, э том числе 108 рисунков.
