Rodzaje szczeliw dławnicowych: 5 rozwiązań i ich zastosowania

Niepozorny odcinek plecionego materiału może decydować o szczelności pompy, sprawności armatury i bezpieczeństwie całej instalacji. Szczeliwa dławnicowe pracują przecież bezpośrednio przy obracającym się wale lub przemieszczającym się trzpieniu, często w kontakcie z gorącym, agresywnym chemicznie albo zanieczyszczonym medium.

Poszczególne rodzaje szczeliw różnią się odpornością na temperaturę, ciśnienie, tarcie, substancje chemiczne i cząstki ścierne. Nie istnieje więc jeden materiał odpowiedni do każdej aplikacji. Szczeliwo grafitowe może doskonale sprawdzić się w wysokotemperaturowej armaturze parowej, ale niekoniecznie będzie właściwym wyborem do szybkoobrotowej pompy. Z kolei PTFE zapewnia szeroką odporność chemiczną, lecz w określonych warunkach może wymagać dodatkowego chłodzenia lub stabilizacji konstrukcji.

Poznanie właściwości pięciu wybranych grup szczeliw, wyróżnionych według materiału i konstrukcji, ułatwia wybór rozwiązania dopasowanego do instalacji, a nie jedynie do nazwy urządzenia.

Jak dobrać rodzaj szczeliwa do warunków pracy instalacji?

Dobór szczeliwa powinien rozpocząć się od zebrania danych technicznych dotyczących urządzenia i medium. Kierowanie się wyłącznie temperaturą maksymalną albo ogólnym określeniem „szczeliwo do pompy” może prowadzić do szybkiego zużycia plecionki, przegrzewania dławnicy, nadmiernego wycieku lub uszkodzenia tulei wału.

W praktyce stosuje się schemat STAMPS, który obejmuje sześć podstawowych grup informacji: wymiar, temperaturę, rodzaj aplikacji, medium, ciśnienie oraz prędkość powierzchniową wału lub tulei. Każda z nich wpływa na zachowanie uszczelnienia.

Wymiar szczeliwa: przekrój plecionki musi odpowiadać przestrzeni pomiędzy wałem lub tuleją a wewnętrzną średnicą komory dławnicowej. Za małe szczeliwo może nie wypełnić komory, natomiast zbyt duże będzie trudne do prawidłowego osadzenia i może powodować nierównomierny docisk.
Temperatura pracy: należy uwzględnić nie tylko temperaturę medium, ale również ciepło wytwarzane przez tarcie. W aplikacjach dynamicznych temperatura w strefie kontaktu może być wyższa niż temperatura wskazywana przez instalację.
Rodzaj urządzenia: inne wymagania stawia pompa wirowa, inne pompa tłokowa, mieszadło, zawór lub zasuwa. Znaczenie mają sposób ruchu, częstotliwość uruchomień oraz możliwość doprowadzenia cieczy płuczącej.
Charakter medium: oprócz składu chemicznego trzeba przeanalizować lepkość, skłonność do krystalizacji, zawartość cząstek stałych i właściwości ścierne. Sama wartość pH nie wystarcza do potwierdzenia zgodności materiałowej.
Ciśnienie: wraz ze wzrostem ciśnienia rośnie ryzyko wyciskania szczeliwa przez szczeliny konstrukcyjne. W takich warunkach potrzebna jest stabilna plecionka lub odpowiednio dobrane pierścienie zabezpieczające przed ekstruzją.
Prędkość powierzchniowa wału lub tulei: należy uwzględnić zarówno prędkość obrotową, jak i średnicę powierzchni współpracującej ze szczeliwem. Obliczoną prędkość powierzchniową, podawaną w m/s, porównuje się z limitem w karcie technicznej produktu. Szczeliwo do urządzenia wysokoobrotowego powinno mieć niski współczynnik tarcia i skutecznie odprowadzać ciepło.

Niezależnie od danych zebranych według STAMPS przed montażem należy ocenić stan wału lub tulei. Rowki, korozja, bicie i nadmierna chropowatość mogą znacząco skrócić trwałość nawet prawidłowo dobranego szczeliwa.

Parametry graniczne należy zawsze odczytywać z karty technicznej konkretnego produktu. Podane w karcie maksymalne wartości temperatury, ciśnienia i prędkości nie muszą być dopuszczalne jednocześnie. Należy sprawdzić warunki ich obowiązywania oraz dopuszczalną kombinację parametrów dla konkretnego zastosowania. Dwa szczeliwa wykonane z podobnego włókna mogą mieć inne właściwości ze względu na rodzaj splotu, gęstość, impregnację, środki smarne oraz dodatkowe wzmocnienia.

Szczeliwa grafitowe do pracy w wysokiej temperaturze i pod dużym ciśnieniem

Szczeliwa grafitowe stosuje się przede wszystkim tam, gdzie uszczelnienie musi zachować właściwości pod wpływem wysokiej temperatury, znacznego ciśnienia lub cyklicznych zmian parametrów pracy. Mogą być produkowane z włókien grafitowych, elastycznego grafitu ekspandowanego albo z materiałów dodatkowo wzmacnianych włóknami lub drutem metalowym.

Grafit wyróżnia się dobrym przewodnictwem cieplnym i właściwościami samosmarnymi. Pomaga odprowadzać ciepło ze strefy tarcia, ograniczając ryzyko przegrzania dławnicy. Jego niski współczynnik tarcia może także zmniejszać opory ruchu trzpienia albo wału, pod warunkiem że szczeliwo zostało dobrane do charakteru urządzenia.

Najważniejsze cechy szczeliw grafitowych to:

odporność na wysoką temperaturę, szczególnie cenna w instalacjach parowych, energetyce i przemyśle chemicznym,
dobra przewodność cieplna, umożliwiająca sprawniejsze rozpraszanie ciepła,
stabilność w warunkach zmian temperatury i ciśnienia,
możliwość stosowania w armaturze wysokociśnieniowej po dobraniu odpowiedniej konstrukcji i wzmocnienia,
ograniczenie tarcia podczas ruchu trzpienia lub wału.

Nie każde szczeliwo grafitowe może jednak pracować w takich samych warunkach. W środowisku utleniającym dopuszczalna temperatura jest zwykle niższa niż w parze albo atmosferze obojętnej. Znaczenie ma również czystość grafitu, zastosowany impregnat oraz obecność metalowego zbrojenia.

Wzmocnione szczeliwa grafitowe są często wykorzystywane w zaworach, zasuwach i armaturze pracującej pod dużym ciśnieniem. Konstrukcja przeznaczona do statycznego lub wolnozmiennego ruchu trzpienia nie powinna być jednak automatycznie stosowana w szybkoobrotowej pompie. Metalowe elementy wzmacniające albo zbyt twarda struktura mogą w aplikacji dynamicznej przyspieszyć zużycie tulei.

Szczeliwa grafitowe znajdują zastosowanie między innymi w:

armaturze parowej,
instalacjach energetycznych,
zaworach wysokotemperaturowych,
przemyśle petrochemicznym,
mieszadłach i pompach pracujących w zakresie dopuszczonym przez producenta szczeliwa.

Szczeliwa PTFE w instalacjach narażonych na działanie substancji chemicznych

PTFE, czyli politetrafluoroetylen, jest ceniony za szeroką odporność chemiczną i bardzo niski współczynnik tarcia. Szczeliwa wykonane z tego materiału wykorzystuje się między innymi w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym, spożywczym, papierniczym oraz w instalacjach uzdatniania wody.

Dostępne są różne konstrukcje szczeliw PTFE. Mogą powstawać z czystego włókna, włókna impregnowanego dyspersją PTFE, ekspandowanego PTFE albo PTFE z dodatkiem grafitu. Poszczególne warianty różnią się przewodnictwem cieplnym, stabilnością wymiarową, czystością oraz zakresem dopuszczalnych parametrów.

Do najważniejszych zalet takich szczeliw należą:

szeroka zgodność chemiczna z wieloma kwasami, zasadami, rozpuszczalnikami i mediami korozyjnymi,
niski współczynnik tarcia, sprzyjający ograniczeniu oporów i nagrzewania,
brak korozji włókien pod wpływem wilgoci,
możliwość stosowania w instalacjach wymagających wysokiej czystości, o ile dany produkt posiada odpowiednie dopuszczenia,
dobra plastyczność, ułatwiająca dopasowanie do komory dławnicowej.

Wybór PTFE nie zwalnia jednak z analizy warunków pracy. Materiał może wykazywać skłonność do pełzania, czyli stopniowego odkształcania pod długotrwałym naciskiem. Zjawisko to ogranicza się przez odpowiednią konstrukcję plecionki, zastosowanie wypełniaczy albo połączenie PTFE z innymi włóknami.

Czyste PTFE przewodzi ciepło słabiej niż grafit. W urządzeniach szybkoobrotowych kluczowe stają się więc właściwe chłodzenie, kontrolowany przeciek lub płukanie dławnicy. W takich zastosowaniach często lepiej sprawdza się PTFE z grafitem, które łączy odporność chemiczną z lepszym odprowadzaniem ciepła. Dodatek grafitu może jednak ograniczać przydatność szczeliwa do kontaktu z silnymi utleniaczami. Z tego względu zastąpienie czystego PTFE odmianą grafitową wymaga ponownego sprawdzenia zgodności chemicznej konkretnego produktu.

Szczeliwa PTFE mogą być stosowane między innymi w:

pompach transportujących substancje chemiczne,
mieszadłach i reaktorach,
instalacjach wodnych i ściekowych,
armaturze procesowej,
urządzeniach przemysłu spożywczego i farmaceutycznego, jeżeli produkt ma wymagane dopuszczenia do konkretnego kontaktu.

Przed wyborem należy sprawdzić zgodność z dokładnym składem medium. Ogólny zakres pH nie uwzględnia bowiem stężenia substancji, temperatury, mieszanin procesowych ani obecności dodatków mogących zmienić agresywność chemiczną.

Szczeliwa aramidowe do urządzeń pracujących pod dużym obciążeniem

Włókna aramidowe charakteryzują się dużą wytrzymałością na rozciąganie oraz odpornością na ścieranie i wyciskanie. Z tego względu wykorzystuje się je w urządzeniach pracujących z mediami zawierającymi piasek, osady, popiół, włókna, szlam albo inne cząstki stałe.

Szczeliwo aramidowe zachowuje stabilność mechaniczną tam, gdzie miękka plecionka mogłaby zostać szybko wytarta lub wypchnięta z komory dławnicowej. Może być stosowane jako kompletne uszczelnienie albo jako pierścienie skrajne zabezpieczające bardziej elastyczny materiał znajdujący się w środkowej części zestawu.

Najważniejsze właściwości szczeliw aramidowych obejmują:

wysoką odporność na zużycie ścierne,
dużą wytrzymałość mechaniczną,
odporność na wyciskanie pod wpływem ciśnienia,
stabilność wymiarową podczas intensywnej eksploatacji,
przydatność w pracy z zawiesinami i mediami zanieczyszczonymi.

Twardość włókien aramidowych może być jednocześnie ich ograniczeniem. Zbyt mocno dociśnięta plecionka, niedostateczne smarowanie albo brak właściwego płukania mogą doprowadzić do rowkowania wału lub tulei. W wymagających aplikacjach zaleca się więc stosowanie odpowiednio twardych powierzchni współpracujących oraz kontrolowanie temperatury dławnicy.

Ryzyko uszkodzenia można ograniczyć przez:

sprawdzenie twardości i stanu tulei,
zapewnienie odpowiedniego płukania czystą cieczą,
stopniową regulację docisku po uruchomieniu,
zastosowanie konstrukcji hybrydowej z aramidem jedynie w narożach,
przestrzeganie dopuszczalnej prędkości powierzchniowej wału.

Aramid nie jest również materiałem całkowicie uniwersalnym chemicznie. Odporność zależy od typu włókna, impregnacji i stężenia medium. Szczeliwa te są szczególnie przydatne w górnictwie, papiernictwie, gospodarce ściekowej, produkcji kruszyw oraz instalacjach transportujących zawiesiny.

Szczeliwa z pozostałych włókien syntetycznych w pompach i armaturze przemysłowej

Poza PTFE i aramidem stosuje się również szczeliwa z innych włókien syntetycznych. Mogą być wykonywane między innymi z przędz akrylowych, fenolowych, poliestrowych albo innych włókien technicznych, a ich właściwości poprawia się za pomocą impregnacji PTFE, grafitem, olejami lub środkami smarnymi.

Wiele szczeliw ogólnego przeznaczenia z tej grupy dobrze sprawdza się w aplikacjach o umiarkowanej temperaturze, ciśnieniu i prędkości. Ich zaletą jest elastyczność, dzięki której łatwo dopasowują się do komory dławnicowej, również w urządzeniach starszych lub częściowo zużytych. Zakres zastosowań zależy jednak od konstrukcji; wybrane szczeliwa fenolowe są przeznaczone także do pomp szlamowych i mediów ściernych.

W zależności od konstrukcji mogą zapewniać:

dobrą układalność podczas montażu,
równomierne rozłożenie nacisku w dławnicy,
łagodną współpracę z powierzchnią wału lub tulei,
zdolność zatrzymywania środków smarnych w strukturze plecionki,
korzystną relację między parametrami użytkowymi a kosztami eksploatacji.

Szczeliwa z pozostałych włókien syntetycznych wykorzystuje się między innymi w pompach wodnych, instalacjach komunalnych, armaturze przemysłowej, urządzeniach pomocniczych i układach transportujących media o umiarkowanej agresywności. Nie należy jednak traktować całej grupy jako materiału o identycznej odporności. Włókno akrylowe może zachowywać się inaczej niż włókno fenolowe, a dodatkowa impregnacja może istotnie zmienić zakres zastosowań.

Przed wyborem trzeba sprawdzić zwłaszcza dopuszczalną temperaturę, zgodność chemiczną, prędkość powierzchniową wału lub tulei oraz sposób smarowania. Ekonomiczne szczeliwo ogólnego zastosowania nie będzie odpowiednim zamiennikiem specjalistycznej plecionki w kontakcie ze stężonym kwasem, gorącą parą lub silnie ścierną zawiesiną.

Szczeliwa hybrydowe w wymagających zastosowaniach przemysłowych

Szczeliwa hybrydowe łączą co najmniej dwa materiały, aby wykorzystać ich uzupełniające się właściwości. Popularnym rozwiązaniem jest plecionka wykonana z PTFE z grafitem, której naroża wzmacnia się włóknem aramidowym. Część aramidowa odpowiada wtedy za wytrzymałość mechaniczną i odporność na wyciskanie, natomiast PTFE z grafitem ogranicza tarcie, poprawia zgodność chemiczną i ułatwia odprowadzanie ciepła.

Konstrukcja hybrydowa jest szczególnie użyteczna, gdy instalacja jednocześnie stawia kilka trudnych wymagań. Medium może być korozyjne, zawierać cząstki ścierne, a przy tym pracować pod zmiennym ciśnieniem. Jednorodny materiał nie zawsze zapewnia wtedy wystarczającą trwałość.

Najważniejsze korzyści wynikające z zastosowania szczeliw hybrydowych to:

połączenie odporności mechanicznej z niskim współczynnikiem tarcia,
ograniczenie ryzyka wyciskania plecionki,
większa stabilność wymiarowa w zmiennych warunkach pracy,
możliwość obsługi mediów jednocześnie ściernych i agresywnych chemicznie,
mniejsze ryzyko uszkodzenia tulei niż przy zastosowaniu pełnego zestawu z twardego aramidu, o ile konstrukcja zostanie prawidłowo dobrana.

Szczeliwa hybrydowe wykorzystuje się w pompach procesowych, mieszadłach, reaktorach, pompach tłokowych, urządzeniach papierniczych oraz instalacjach wodno-ściekowych. Mogą być dobrym rozwiązaniem również wtedy, gdy konieczne jest ograniczenie liczby różnych materiałów utrzymywanych w magazynie zakładowym.

Hybrydowa budowa nie oznacza jednak pełnej uniwersalności. Parametry takiej plecionki wynikają z całej konstrukcji, a nie z najwyższej odporności jednego ze składników. Przykładowo obecność aramidu nie gwarantuje możliwości pracy w dowolnej zawiesinie, podobnie jak dodatek PTFE nie zapewnia zgodności z każdą substancją chemiczną.

Wybierając szczeliwa dostępne w ofercie Inbras, warto przekazać informacje dotyczące urządzenia, wymiarów dławnicy, medium, temperatury, ciśnienia i prędkości powierzchniowej wału lub tulei. Pozwala to porównać właściwości dostępnych produktów i dobrać konstrukcję do rzeczywistych warunków pracy.