Модернизация торцевого уплотнения центробежного насоса КРГ1Х-80/315/25-001 насосного блока установки подготовки нефти УПН-Курсовая работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Модернизация торцевого уплотнения центробежного насоса КРГ1Х-80/315/25-001 насосного блока установки подготовки нефти УПН-Курсовая работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Дипломный проект содержит на 136с. машинописного текста 14 табл., 22 иллюстрации, 45 источников.
ТОРЦОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ, НАДЕЖНОСТЬ, ГЕРМЕТИЧНОСТЬ, ПРОЧНОСТЬ, ЖЕСТКОСТЬ, ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ, ТЕПЛОСТОЙКОСТЬ.
Объектом исследования является насос КРГ1Х-80/315/25-001.1 насосного блока установки подготовки нефти. Одним из проблемных узлов в его конструкции является концевое уплотнение вала.
В процессе исследования была рассмотрена наиболее общая классификация торцовых уплотнений, основные достоинства и недостатки перед сальниковым уплотнением, различные типы конструкций торцовых уплотнений, область их применения.
В результате исследования были выявлены основные тенденции в конструировании торцовых уплотнений, были рассмотрены возможные пути повышения надежности и работоспособности торцовых уплотнений. На основе сравнительной оценки работоспособности торцового уплотнения и сальникового было предложено модернизировать насос КРГ1Х-80/315/25-001.1 путем замены сальникового уплотнения, установленного на этом насосе, на торцовое уплотнение типа ДК.
Применение предлагаемого уплотнения повысит герметичность уплотнительного узла и, следовательно, надежность агрегата в целом, а также ожидается снижение утечек в окружающую среду до минимального значения.

Заключение



В данном проекте была изучена наиболее общая классификация торцовых уплотнений, рассмотрены основные типы конструкций, их достоинства и недостатки перед сальниковым уплотнением, был проведен анализ конструкций торцовых уплотнений по научно-технической литературе.
Задача оценки работоспособности торцовых уплотнений в настоящем проекте свелась к выявлению основных критериев работы торцовых уплотнений, по которым можно судить об их работоспособности, и определению способов их повышения. Были разработаны критерии, по которым можно оценить торцовое уплотнение, а также рассмотрены возможные пути обеспечения работоспособности и надежности отдельных элементов торцового уплотнения по каждому из этих критериев.
На основе литературного обзора существующих конструкций торцовых уплотнений и разработанного подхода к оценке их работоспособности при модернизации насоса КРГ1Х-80/315/25 установки подготовки нефти было выбрано торцовое уплотнение типа ДК максимально отвечающее, на наш взгляд, основным критериям, предъявляемым на данной установке к модернизируемому насосу. Выбор торцового уплотнения производился с учетом его рабочих параметров.
В механическом разделе приведены расчеты основных деталей насоса и уплотнения, подтверждающие, что при заданных эксплуатационных параметрах будут соблюдены прочность, жесткость, виброустойчивость. А также проведен расчет основных узлов и деталей торцового уплотнения.
С точки зрения экономического расчета ожидается экономический эффект, который достигается в результате снижения приведенных затрат на единицу уплотнения, увеличения ресурса работы уплотнения и снижения эксплуатационных затрат на ремонт насоса для замены уплотнения, а также уменьшению безвозвратных потерь продукта через уплотнение.
В разделе безопасности и экологичности проекта проанализирован технологический процесс и выявлены опасности производства. При модернизации насоса путем замены уплотнительного узла будет обеспечено снижение утечек продукта в окружающую среду до минимального значения. В результате ожидается уменьшение загрязнения окружающей среды.

При разработке новых технологических линий нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств важным является выбор типа и конструкции торцового уплотнения для вращающегося вала насоса. Приходится сталкиваться с целым рядом технических и экономических проблем.
Надежность и долговечность торцовых уплотнений вращающихся валов насосов, машин, агрегатов оборудования нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, прежде всего, зависит от правильного выбора, соответствия их технических параметров тем требованиям, которые предъявляются к уплотнительному узлу в каждом конкретном случае.
Выбор типа и конструкции торцового уплотнения производятся по рабочим параметрам, таким, как давление перекачиваемой жидкости, ее температура, свойства перекачиваемой среды, наличие в ней абразива. При этом необходимо учитывать все критерии, предъявляемые к уплотнению, такие, как допустимая величина утечки, потери на трение, износ пар трения, стойкость материала деталей в перекачиваемой среде, надежность, ресурс работы, а также место для установки уплотнения, категорию помещения, в котором устанавливается насос /14, 15,2/.
В ряде случаев применение торцового уплотнения бесспорно – для дорогостоящих пожароопасных, токсичных, высокоагрессивных и радиоактивных сред, для центробежных насосов с повышенными требованиями по надежности. В остальных случаях выбор должен быть дифференцированным и экономически оправданным. Необходимо учитывать также экономические факторы:
– начальную стоимость уплотнения (цену уплотнения и затраты на его монтаж);
– текущие расходы, обусловленные:
а) энергетическими потерями из-за утечки через уплотнение и необходимостью восстановления поврежденных деталей и частей насоса вследствие постепенного вредного воздействия продуктов утечки;
б) проведением контроля над исправной работой уплотнения и перемонтажем насоса при замене уплотнения;
в) энергетическими потерями в связи с трением в зоне контакта вращающегося и неподвижного колец;
– затраты, вызванные внезапной разгерметизации уплотнения:
а) стоимость недополученного в производстве продукта;
б) потери герметизируемой среды, вытекшей из насоса и трубопроводов через уплотнение;
в) стоимость поврежденных деталей насоса;
г) затраты на перемонтаж уплотнения /15/.


1.5.3 Выбор материалов колец пары трения.


При выборе материала пар трения уплотнений следует помнить, что не исключена возможность кратковременной работы уплотнения всухую. При этом пара трения не должна терять работоспособность.
Выбор материалов для пары трения торцового уплотнения зависит в первую очередь от условий его работы и требований эксплуатации в отношении надежности, долговечности, герметичности уплотнения. По этим признакам пары трения можно разделить по области применения на группы I - IV так же, как и узлы уплотнения.
Для наиболее легких условий работы - нейтральные жидкости со смазывающейся способностью, малые и средние значения давления и скорости скольжения (см. таблицу 1.1) - может быть использована пара трения бронза ОС5-25 по стали 95X18, 4X13, наплавкам стеллита В-ЗК или сормайта /2, 3/.
Недостатками бронзовых колец являются их низкая коррозионная стойкость и дефицитность олова. Бронзы не имеют удовлетворительной износостойкости при трении на воде и водных растворах. На этих средах (маслах и химически нейтральных жидкостях) широко применяют пары трения пластмасса – металл, керамика и углеграфит – металл, керамика. Основные преимущества таких композиционных материалов – низкая стоимость, технологичность изготовления и высокая износостойкость /30, 31/.
За рубежом наибольшее распространение для изготовления колец торцовых уплотнений получили пластмассы на основе фенолформальдегидной смолы. К недостаткам пластмасс следует отнести их низкую теплопроводность, сравнительно низкую термостойкость, которая определяется свойствами связующей смолы, невысокие механические характеристики и большой коэффициент температурного расширения. Вследствие их низкой теплопроводности и сравнительно низкой термостойкости даже при кратковременном сухом трении пары наблюдается обугливание (почернение) трущейся поверхности пластмассового кольца /33/.
В качестве материалов колец, работающих в паре с кольцами из пластмасс, применяют стали (углеродистые, хромистые, нержавеющие) и керамику.
Из-за отмеченных недостатков пластмассовых колец уплотнения с такими парами трения пригодны для работы в наиболее легких по рабочим параметрам условиях (таблица 1, группа I).
При более высоких параметрах работы (по давлению и скорости скольжения) в большинстве случаях применяют кольца из углеграфитовых материалов. Углеграфитовые материалы имеют пористость от 6 % до 30 % в зависимости от технологии изготовления. Пористость является отрицательным фактором, поскольку она вызывает утечку помимо зазора пары. Кроме того, при пористой поверхности ухудшаются условия гидродинамического режима трения в зазоре пары, так как поры не дают возможности создания избыточного гидродинамического давления при скольжении.
Износостойкость пористых поверхностей ниже, чем плотных, из-за менее прочного соединения части материала на поверхности и возможности более легкого внедрения шероховатостей контактирующей поверхности и абразивных частиц/2, 30, 31/.
Чтобы ликвидировать пористость, улучшить антифрикционные и механические свойства углеграфитов, их пропитывают смолами, металлами, солями, стеклом и другими веществами. К примеру, на Нальчикском машиностроительном заводе широко используют обоженный углеграфит 2П-1000-Ф, пропитанный фенолформальдегидной смолой с клеевым лаком Ф-10. Из углеграфитов, пропитанных металлами, в торцовых уплотнениях хорошо зарекомендовал себя графитированный углеграфит, пропитанный сплавом (95% свинца, 5% олова) марки АГ-1500-СО5.
В парах трения с кольцами из углеграфитов 2П-1000-Ф и АГ-1500-СО5 на химически нейтральных жидкостях с параметрами, соответствующими группам I, II и частично III (таблица 1.1), главным образом применяют сталь 9X18, закаленную до HRC 50 - 60, а также наплавки из стеллита и сормайта. Такие пары трения более пригодны для работы в водных средах и нефтепродуктов. Причем для нефтепродуктов пригодны, особенно в тех случаях, когда возможна кратковременная работа уплотнения всухую [31, 32].
Кроме отмеченных материалов в последнее время применяют новые углеграфитовые материалы марок УГ-20Г, УКМ, НИГРАН, Химанит и др.
При небольших удельных нагрузках и скоростях скольжения (группа I) пары трения АГ-1500-СО5 по металлу могут длительно работать и при недостаточной смазке и охлаждении. Однако пары трения с кольцами, пропитанными металлами, не должны при трении нагреваться до температуры плавления металлической пропитки. При наступлении такого момента пропитка выплавляется из углеграфита, что сопровождается большим его износом и разгерметизацией уплотнения вследствие переноса металла на контактирующую поверхность.
При перегреве пар трения с кольцами, пропитанными смолой, происходит сгорание смолы в поверхностном слое кольца. При этом наблюдается повышенный износ и иногда разгерметизация уплотнения, однако, в отличие от колец на основе термореактивных смол, углеграфитовые кольца не разрушаются.
Сухое трение и резкое охлаждение пары при ухудшении ее герметичности описаны для металлических колец из стали 95X18 и стеллита, склонных к терморастрескиванию. Поскольку вероятность таких режимов возрастает с увеличением давления и скорости скольжения в парах трения, то описанные выше пары недостаточно надежно работают на параметрах групп IV и частично III (таблица 1.1)/2, 32/.
Использование углеграфитовых материалов марок 2П-1000-Ф и АГ-1500-СО5 для пар трения гидродинамического типа с целью повышения рабочих параметров уплотнений не дало удовлетворительных результатов. Рабочие поверхности сравнительно быстро повреждались из-за эрозионного воздействия среды в зазорах уплотнений.
Для уплотнений, работающих на параметрах группы IV, а также на наиболее высоких параметрах группы III, можно рекомендовать пары трения такие, как силицированный графит по силицированному графиту, силицированный графит по твердым металлокерамическим сплавам на основе карбидов металлов /2, 3, 32/.
В зависимости от степени силицирования и исходных материалов силицированные графиты содержат различное количество карбида кремния. С увеличением его содержания твердость и износостойкость углеграфитов повышается, но одновременно возрастает хрупкость и склонность к трещинообразованию. Наиболее широко в парах трения торцовых уплотнений применяют силицированный графит ПГ-50С (СГ-Т). Применяют также более мягкие силицированные графиты марок СГП, УМС и ПРОГ-2400С (СГМ) /31, 32/.
Высокая износостойкость, долговечность и надежность силицированных графитов объясняется особой структурой материала, имеющей жесткий каркас карбида кремния с его исключительно высокой твердостью и наличием свободного графита, который обеспечивает высокие антифрикционные свойства силицированного графита и его высокую теплопроводность.
Силицированные графиты получают пропиткой исходного углерода по всему его объему жидким кремнием при температуре выше 2000°С, при этом происходит реакция с образованием карбида кремния.
Достоинством силицированных графитов является их достаточно высокая стойкость к воздействию агрессивных перекачиваемых сред, прежде всего к минеральным кислотам таким, как соляная, азотная, серная, фосфорная, фтористоводородная (без примесей) при различных температурах и концентрациях.
Недостатком силицированных графитов является их низкая удельная ударная вязкость (хрупкость), однако, этот недостаток оказывается проблемой только на этапе обработки детали и монтажа уплотнения. При работе торцового уплотнения упругий поджимной элемент компенсирует ударные нагрузки и вибрацию деталей насоса и не приводит к хрупкому разрушению углеграфитовых колец /32/.
При конструировании и изготовлении колец из силицированных графитов необходимо предусматривать такую форму, чтобы не было резких переходов сечений и концентраторов напряжений ввиду хрупкости материалов и малых деформаций до разрушения. Кроме того, у силицированных графитов более низкий коэффициент линейного расширения, чем у металлов, и это необходимо учитывать при выборе посадок и зазоров в соединениях колец и металлических деталей /15/.
Кроме силицированных графитов, для работы при высоком давлении и скорости скольжения применяют твердые металлокерамические сплавы на основе карбидов вольфрама, хрома, титана.
Высокая работоспособность пар трения с кольцами из металлокерамики и углеграфита объясняется, как и в случае силицированного графита, отсутствием склонности к схватываемости этих материалов, высокой твердостью карбидов и структурными свойствами металлокерамики /2, 3/.
Исключительность керамики определяется ее химической стойкостью в средах с сильными окислительными свойствами, где другие материалы не стойки. Однако, из-за хрупкости и сравнительно невысокой теплопроводности керамика склонна к терморастрескиванию, поэтому режим с недостаточной смазкой для этого материала недопустим /15/.
Определяющим фактором при выборе материалов пар трения является химическая агрессивность среды. Свойства различных сред в химической, нефтехимической и других областях промышленности изменяются в зависимости от многих факторов. Например, одна и та же среда в зависимости от исходного сырья может содержать примеси, резко изменяющие ее химические свойства. Поэтому для пар трения торцовых уплотнений следует выбирать наиболее химически стойкие и универсальные материалы. К ним в первую очередь следует отнести углеграфиты, пропитанные различными смолами и другими химически стойкими веществами, фторопласт-4 с различными наполнителями, силицированный графит, минералокерамику на основе окиси алюминия и другие материалы /2, 34/.
Для отечественных торцовых уплотнений, работающих в агрессивных средах, широко применяют пару углеграфит 2П-1000-Ф по силицированному графиту ПГ-50С. Эта пара, кроме высокой химической стойкости, имеет также и удовлетворительные антифрикционные характеристики.
Описанные выше пары допускают наличие в среде взвешенных твердых частиц, если их содержание не превышает несколько процентов. Для сред с большим содержанием абразивных частиц (более 10%) износостойкость колец из таких материалов становится недостаточной. В этих случаях хорошие результаты получены ВНИИГидромаш с парами трения силицированный графит по силицированному графиту. Причем исследования во ВНИИГидромаше показали, что, несмотря на высокую износостойкость указанных материалов, зазор пар трения, работающих на абразивных средах, следует защищать от попадания в него большого количества абразива /2, 31, 32/.
При работе торцовых уплотнений на газообразных средах условия трения в их парах соответствуют технически сухому трению. Для таких условий трения требуется применение специальных материалов, например, пиролитических углеродных материалов (пирографитов) /2, 29/.
Кроме описанных выше материалов, в парах трения торцовых уплотнений применяют различные покрытия, повышающие износостойкость и антифрикционные характеристики трущихся поверхностей. Однако, из-за тонкости слоя их можно использовать лишь на чистых средах, не имеющих большой химической активности.
При выборе пары трения, стоимость которой составляет большую часть стоимости уплотнения, немаловажна роль экономического расчета. В нем следует учитывать стоимость пары трения, работоспособность пары - ее износостойкость, надежность в эксплуатации и соответствующая долговечность, потери производства, связанные с остановкой насоса для замены пары трения, а также условия безопасности производства при выходе из строя пары трения /2/.
Итак, для подтверждения заданных требований по надежности и долговечности уплотнительного узла важен выбор оптимальной конструкции уплотнения, правильный подбор материалов деталей торцового уплотнения, прежде всего пары трения, анализ возможных отказов составных частей уплотнения, учет особенностей эксплуатации уплотнения, а также соблюдение правил установки и технического обслуживания уплотнения.


1.5.4 Рабочие условия для торцовых уплотнений.


1.5.4.1 Конструктивные особенности торцовых уплотнений, работающих в условиях высоких давлений.


Работа уплотнений при высоких давлениях сопровождается повышением температуры и появлением деформаций деталей уплотнения.
Повышение температуры происходит за счет генерируемого в паре трения тепла, которое может быть уменьшено либо за счет снижения удельной нагрузки в паре трения, либо за счет снижения коэффициента трения. Удельная нагрузка зависит от коэффициента гидравлической разгрузки, снижать который ниже 0,6-0,7 не рекомендуется ввиду опасности раскрытия пары трения /25, 8/.
Уплотнения, работающие в условиях высоких давлений, относятся к группе IV и частично к группе III (таблица 1.1) Для таких уплотнений рекомендуются особо твердые материалы, более подробно было описано раньше. Однако, для каждого сочетания материалов пары трения при заданной скорости скольжения существует критическое значение давление жидкости, выше которого эта пара работать не может. С точки зрения конструктивного решения основное затруднение заключается в создании малогабаритных, но мощных пружин, через которые передается на пару трения вся гидравлическая нагрузка /2, 8/.
Кроме специальных уплотнений для условий высоких давлений применяют двойные торцовые уплотнения нормального ряда, конструкции которых были рассмотрены в первой части данного дипломного проекта. Однако, в определенных случаях эксплуатация обычных серийных уплотнений оказывается нерентабельной, например, при сверхвысоких давлениях и большой скорости скольжения. В таких случаях применяются гидродинамические торцовые уплотнения, в парах трения которых благодаря специальной форме трущихся поверхностей создаются условия жидкостного трения. Такие типы торцовых уплотнений могут работать при давлениях среды до 20МПа /2, 3/.


1.5.4.2 Конструктивные особенности торцовых уплотнений, работающих в условиях высоких температур.


Высокая температура является основной причиной выхода из строя уплотнений. Температура в уплотнении может повыситься за счет тепла, генерирующегося в паре трения, и переноса тепла в зону уплотнения перекачиваемой жидкостью.
Известно, что для снижения температуры в зоне уплотнения применяется циркуляция перекачиваемого продукта через водяные теплообменники с использованием встроенных в уплотнение насосных устройств.
Торцовые уплотнения, работающие при повышенных и высоких температурах, представлены в таблице 1.2. Используя накопленный опыт конструирования, изготовления и эксплуатации первых серийных торцовых уплотнений типа Т, в новые уплотнения были внесены следующие изменения /2, 3/.
В уплотнениях для высоких температур типа ОТ и ДТ встроенный холодильник выполнен открытого типа, что значительно повысило эффективность его работы и одновременно снизило затраты на изготовление и ремонт.
На основании сравнительных испытаний одинарных торцовых уплотнений с различными системами водяного охлаждения было установлено, что наиболее экономичным и эффективным является способ, при котором тепло от втулок отводится проточной водой /25/.
Кроме хорошо зарекомендовавших себя двойных и гидродинамических торцовых уплотнений, в условиях высоких температур работают специальные торцовые уплотнения. Их характерной особенностью является применение в качестве уплотнительного и упругого элементов металлических сильфонов, которые по сравнению с уплотнительными элементами из резины и фторопласта, сохраняют свои свойства при низких (минус 200°С) и высоких (плюс 450°С) температурах.
Как правило, такие уплотнения работают при сравнительно небольших давлениях и средних скоростях скольжения (группы I и II) /2, 3/.
Выбор материала пары трения во многом определяет надежность торцового уплотнения, работающего в условиях высоких температур.

1.6 Выбор торцового уплотнения для модернизации насоса КРГ1Х-80/315/25-001.1


1.6.1 Выбор типа уплотнения.


На основе литературного обзора существующих конструкций торцовых уплотнений и разработанного подхода к оценке их работоспособности при модернизации насоса КРГ1Х-80/315/25-001.1 насосного блока было выбрано двойное торцовое уплотнение типа ДК максимально отвечающее, на наш взгляд, основным критериям, предъявляемым на данной установке к модернизируемому насосу.
Выбор торцового уплотнения ДК производился с учетом его рабочих параметров. Уплотнение ДК предназначено для работы на средах с диапазоном температур от минус 15°С до плюс 200°С, при давлениях до 2,5МПа.
При модернизации насоса КРГ1Х-80/315/25-001 путем замены сальникового уплотнения на торцовое уплотнение типа ДК решается проблема повышения герметичности уплотнительного узла, и, следовательно, повышения надежности работы агрегата в целом. Так как перекачиваемая насосом среда является легко воспламеняемой, взрыво и пожароопасной, то к данному уплотнению предъявляются повышенные требования по герметичности.
Как показал анализ работы торцовых уплотнений при высоких температурах, наиболее подходящим материалом является силицированный графит. В предлагаемом уплотнении как раз и используются такие пары трения, т.е. силицированный графит по силицированному графиту, что в значительной мере определяет износостойкость колец пары трения.
Торцовое уплотнение типа ДК может использоваться при высоких температурах, так как в его конструкции предусмотрена схема охлаждения.



1.6.2 Описание конструкции торцового уплотнения типа ДК.


Двойное торцовое уплотнение состоит из двух одинарных торцовых уплотнений. Полное отделение перекачиваемой среды от атмосферы достигается путём использования двух одинарных торцовых уплотнений с подачей между ними затворной жидкости (масло марки И-20А). При этом внутренние уплотнение разделяет перекачиваемую среду и уплотнительную жидкость, а внешнее разделяет уплотняющую жидкость от атмосферы. Внутреннее одинарное уплотнение имеет внешнее расположение стыка пары трения относительно уплотняемой среды, а внешнее уплотнение - внутреннее расположение стыка.
Во избежание раскрытия внутреннего уплотнения и попадания перекачиваемой насосом жидкости в камеру уплотнения давление затворной жидкости должно превосходить давление перекачиваемой жидкости на 0,1 – 0,15 МПа.
Двойное торцевое уплотнение типа ДК имеет автономный контур циркуляции затворной жидкости, в который входит аккумулятор пружинно- гидравлический АПГ1, который обеспечивает охлаждение затворной жидкости, превышение ее давления над давлением уплотняемой среды перед торцевым уплотнением на 3–5 кгс/см2 и автоматическое пополнение контура циркуляции затворной жидкостью от подпиточной магистрали.
Предусмотрено также торцевое уплотнение типа ДТ при перекачивании сред с температурой выше 200°С, отличающееся лишь от уплотнения типа ДК тем, что в уплотнении типа ДТ имеется теплообменник, при помощи которого охлаждаются нефтепродукты, поступающие к деталям уплотнения и валу насоса.
В связи с этим предлагается произвести замену сальникого уплотнения на торцовое уплотнение типа ДК с целью снижения утечек продукта в окружающую среду до минимального значения. В результате ожидается уменьшение загрязнения окружающей среды.
2 Обоснование выбора темы



В настоящее время на нефтепромыслах и нефтеперерабатывающих предприятиях применяются большое количество разнообразного оборудования. Самую многочисленную группу среди них составляют насосы, которые используются на всех установках, независимо от их назначения. Поэтому надежность работы насосов во многом определяет непрерывную и эффективную работу любого технологического процесса.
Многолетний опыт эксплуатации насосного оборудования свидетельствует, несмотря на то, что узел уплотнения по объему занимает сравнительно небольшую часть машины, одним из важнейших и узлов насоса является концевое уплотнение вращающегося вала, ограничивающее или полностью исключающее утечки перекачиваемой среды наружу, которая может быть агрессивной, токсичной, взрыво- и пожароопасной.
Наиболее широкое распространение в качестве концевого уплотнения вала насоса получили торцовые уплотнения, что объясняется их следующими преимуществами:
– не требуют обслуживания в период нормальной работы;
– работают с малой утечкой или без утечки;
–отличаются большой долговечностью;
– удовлетворительно работают в предельно тяжелых условиях:
а) по давлению;
б) по температуре;
в) по скорости скольжения в парах трения;
г) по агрессивности сред;
– могут быть изготовлены на валы от нескольких до 1500 мм и более;
– энергоемкость меньше по сравнению с другими типами контактных уплотнений вращающихся валов;
– удовлетворительно работают при небольших радиальных биениях вала.