titNejčastější příčinou odstavení čerpadla mimo provoz je selhání hřídelové mechanické ucpávky. Mechanická ucpávka je vystavena rozličným provozním podmínkám. Někdy jsou provozní podmínky naprosto odlišné oproti těm, pro které byla mechanická ucpávka původně navržena. Typická selhání mechanických ucpávek výrazně závisí na zvoleném typu a použitém materiálu.


Hlavním cílem tohoto článku je seznámit uživatele čerpadel s tím, jaké předpoklady je nutno vzít v úvahu, pokud chceme pro dané čerpadlo vybrat správnou mechanickou ucpávku.

Výměna mechanické ucpávky jako standardní údržbářský postup
V současné době můžeme v čerpadlech objevit různé typy mechanických ucpávek. Běžně se v rámci údržby setkáváme s tím, že pokud na některém z čerpadel mechanická ucpávka náhle selže, tak je automaticky nahrazena stejným typem. Mechanická ucpávka je vystavena variabilním pracovním podmínkám. Ty se mohou někdy značně lišit od podmínek, pro které byla ucpávka původně navržena a ve skutečnosti velmi často chybí technická argumentace k tomu, proč je v konkrétním čerpadle určitá konstrukce mechanické ucpávky.
V konstrukcích mechanických ucpávek existuje velký rozdíl a zdaleka ne všechny jsou z pohledu provozovatele čerpadel ty nejspolehlivější. Není žádným tajemstvím, že některé typy mechanických ucpávek spíše intenzivně přispívají k nárůstu již tak ohromného trhu s náhradními díly do čerpadel. Ale jak rozpoznat, která konstrukce mechanické ucpávky je spolehlivá a která ne? Jediným východiskem je znát princip fungování mechanických ucpávek.

Princip funkce mechanické ucpávky
Mechanická ucpávka je zařízení, kterým lze kontrolovat únik média na rotačním stroji. Každá mechanická ucpávka je složena z těchto základních částí: rotační kluzné plochy, stacionární kluzné plochy, pružícího elementu (vinutá jedno-pružina, vlnová pružina, skupina pružin po obvodě, kovový vlnovec apod.), sekundárních těsnících elementů (např. o-kroužky, pryžové vlnovce, PTFE klíny apod.) a popřípadě unášecího kroužku (Obr. 1) [2].

obr1
Obr. 1 Mechanická ucpávka a její základní části

 

Z pohledu funkčnosti se mechanická ucpávka skládá ze dvou částí: rotační a stacionární. Rotační část, která je uchycena k hřídeli čerpadla, se točí a prostřednictvím kluzných ploch je dotlačována ke stacionární části. K primárnímu těsnícímu efektu dochází právě mezi kluznými plochami. Mechanické ucpávky můžeme dále dělit například na složené a kazetové, jednoduché a dvojité, tlakově odlehčené a neodlehčené apod.

Životnost mechanické ucpávky
Pokud tuto otázku diskutujeme v praxi s techniky, tak se setkáváme se širokou škálou odpovědí, počínaje od jednoho měsíce až po patnáct let. Stává se, že i v rámci jednoho provozu je několik čerpadel s diametrálně odlišnou životností mechanických ucpávek. A kdykoliv jsme nuceni vyměnit mechanickou ucpávku ve svém čerpadle, tak bychom měli zjistit, zda dosáhla své maximální životnosti, anebo zda selhala předčasně.
U mechanické ucpávky je pouze jeden díl, který je určen k tomu, aby se opotřeboval a tím dílem jsou kluzné plochy (kluzné kroužky). Kluzné plochy jsou vyrobeny nejčastěji z karbidových materiálů (karbid uhlíku, křemíku, wolframu) popřípadě z keramiky (oxidu hlinitého), nebo z nerezu. Tyto kluzné kroužky jsou hydraulickou silou média navzájem stlačovány vůči sobě. Na jejich styčné ploše následně dochází ke tření a parametry dané aplikace mají přímý vliv na míru opotřebení kluzných ploch. Jakmile dojde k úbytku materiálu kluzné plochy nad míru přesahující konstrukční možnosti mechanické ucpávky, pak musíme tyto kluzné plochy vyměnit za nové. A v tom spočívá definice životnosti mechanické ucpávky – správně navržená mechanická ucpávka funguje tak dlouho, dokud nejsou opotřebovány kluzné plochy. Je to velmi podobné jako u pneumatik na našich automobilech.
Jistě si dokážeme dobře představit, že řidič formule musí pneumatiky měnit podstatně dříve, než měníme pneumatiky na našich osobních automobilech. A stejnou paralelu rovněž hledejme u čerpadel na různých aplikacích.
Avšak skutečnost pozorovatelná v praxi je zcela jiná. U více jak 70 % mechanických ucpávek, které musely být kvůli netěsnosti vyjmuty z čerpadel bylo zjištěno, že mají stále dostatek materiálu kluzných ploch, aby mohli těsnit. Jinými slovy, kluzné plochy nebyly opotřebovány a mechanická ucpávka přesto netěsnila. A tento fenomén je možno pozorovat na rozličných provozech ve všech různých odvětvích. Důležité je tedy zjistit, proč tyto mechanické ucpávky selhaly.

Hlavní příčiny selhání mechanické ucpávky
V širším pojetí existují tři hlavní příčiny, proč mechanické ucpávky selhávají. Prvním důvodem může být vlastní systém čerpadla. Kupříkladu špatná kvalita povrchu jednotlivých dílů čerpadla, které mají souvislost s mechanickou ucpávkou (nejčastěji povrch hřídele nebo pouzdra a čela ucpávkové komory), má přímý vliv na případnou netěsnost ucpávky. Právě tak velké rázy při náběhu čerpadla, nebo opotřebovaná ložiska mohou způsobit nadměrnou axiální či radiální házivost hřídele, přesahující konstrukční toleranci dané mechanické ucpávky [1]. Pokud jsou však podobné vlastnosti systému dopředu známy, lze je velmi často úspěšně vyřešit a případné potíže eliminovat.

* * * * *
Příčiny selhávání:
- systém čerpadla
- špatná manipulace
- konstrukce čerpadla
* * * * *

Druhou příčinou selhání mechanické ucpávky může být špatná manipulace. Tato problematika se týká zejména složených mechanických ucpávek, kdy musíme do čerpadla nainstalovat dvě části (zvlášť rotační část a stacionární část), abychom ucpávku složili. Kluzné plochy ucpávky jsou obrobeny na velmi přesnou drsnost a rovnost, což z nich často dělá ten nejpřesnější díl, který můžeme na daném provozu nalézt. Zejména během montáže může docházet k tomu, že jsou tyto velmi jemně opracované kluzné plochy kontaminovány nečistotami nebo mechanicky poškozeny, což vede k výraznému snížení životnosti mechanické ucpávky. Přirozeně, k takovému poškození nedochází úmyslně, ale existuje způsob, jak se tomuto riziku jednoduše vyhnout. Tím je použití tzv. kazetové mechanické ucpávky.
Poslední příčinou selhání mechanické ucpávky je vlastní konstrukce a zejména tomu se budeme v tomto článku podrobněji věnovat.

Čemu se z konstrukčního pohledu vyhnout
U některých konstrukcí mechanických ucpávek dochází k nerovnoměrnému přítlaku na těsnící kluzné kroužky ze strany pružícího elementu. Typickým příkladem je masivní jedno-pružina, která díky svému vinutí vytváří tlak na kluznou plochu pouze v jednom bodě (v místě zakončení vinutí). Ale pokud si uvědomíme, že kluzné plochy jsou velmi přesně obrobeny, byl by z tohoto pohledu rovnoměrný přítlak na kluzné kroužky bezesporu velkou výhodou.
Relativně rovnoměrný přítlak kluzné ploše poskytuje vlnová pružina, kovový vlnovec nebo uspořádání více pružin po obvodu.

Vlnové pružiny
Řada mechanických ucpávek však obsahuje vlnovou pružinu, jejíž dílčí elementy jsou bodově svařeny. A pokud vlnová pružina začne vykonávat svoji funkci, může docházet k porušení bodového svaru, jednotlivé vlny se navzájem seskládají do sebe a pružina selhává. Podobný problém se může objevit i u konstrukce svařovaného kovového vlnovce, kde se místo svaru opět stává tím nejslabším místem.

Přímý styk s médiem
Pružící elementy mechanické ucpávky mohou být rovněž konstruovány tak, že jsou v přímém styku s médiem. V tom okamžiku se vystavujeme riziku, že se nám pružící element může zaseknout a mechanická ucpávka selže. Rozhodující roli zde hraje charakter čerpaného média.
Kupříkladu skupina pružin po obvodu je s ohledem na požadovaný rovnoměrný přítlak na kluznou plochu velmi dobrým řešením. Pokud však takovou konstrukci používáme a pružinky jsou zahlceny médiem obsahujícím pevné částice, pak často nastává to, že se tyto částice vlivem odstředivé síly (způsobené rotací hřídele) akumulují právě v prostoru pružin. Pružiny se následně zcela zanesou, zaseknou se a mechanická ucpávka přestává těsnit.

Nečistoty
Naopak, u masivní jedno-pružinové mechanické ucpávky může nastat situace, kdy se nám mezi závit pružiny a hřídel zaklíní pevná částice (např. zrnko písku) a tato pružina již není schopna vykonávat svoji funkci. Tento konstrukční typ rovněž selhává, pokud čerpané médium obsahuje vlákna. Ty mívají tendenci namotávat se na pružinu a opět dochází k jejímu zaseknutí. Jediným způsobem, jak se tomuto riziku vyhnout, je použít konstrukci s pružícími elementy umístěnými mimo čerpané médium.
Kdykoliv použijeme jedno-pružinovou mechanickou ucpávku, musíme si být rovněž vědomi toho, že tento typ konstrukce je obvykle závislý na smyslu otáčení hřídele. Pružiny jsou vinuty buď doprava anebo doleva. Pokud použijeme špatný smysl vinutí s ohledem na směr otáčení hřídele, tak se pružina rozvine a ucpávka selhává. Komplikace nastávají zejména tehdy, pokud máme čerpadlo, které je utěsněno jedno-pružinovou ucpávkou na obou stranách hřídele. Zde dochází s ohledem na použití správného smyslu vinutí mechanické ucpávky k občasným záměnám ze strany montáže. Ale stejně často vzniká pochybení i na straně dodavatele mechanické ucpávky, pokud není těmto aplikacím věnována patřičná péče.

Koroze
Pružiny mechanických ucpávek jsou většinou vyrobeny z nerezové oceli, abychom se vyhnuli korozi. Nerezová ocel však může podléhat speciálnímu typu dezintegrace vnitřní struktury – chloridové napěťové (stresové) koroze. K tomuto jevu může docházet, pokud je nerezová ocel pod napětím. Na vnitřní struktuře se projevuje zejména na hranicích zrn jednotlivých kovů. Podél těchto hranic pronikají chloridové ionty (soli kyseliny chlorovodíkové) a narušují integritu mezikrystalických vazeb. Přítomnost chloridových iontů najdeme v různé míře téměř v každém médiu. Nerezové pružící elementy tak ztrácí svou pružící schopnost a v extrémních případech mohou dokonce prasknout. Z tohoto důvodu se na výrobu pružin stále více využívá materiál Hastelloy C, který chloridové napěťové korozi nepodléhá.

Mechanické opotřebení
Rovněž jakýkoliv prvek mechanické ucpávky, který vykonává axiální pohyb po povrchu hřídele či pouzdra, nezbytně vede ke vzniku drážky a tím k úniku média. Tento problém je typicky spjat s konstrukcí složené mechanické ucpávky, kdy instalujeme zvlášť rotační a zvlášť stacionární část. Pokud by byly obě tyto části kolmé vůči hřídeli, tak by bylo vše v pořádku, ale součtem různých tolerancí souvisejících dílů čerpadla (např. drobná nerovnost čela ucpávkové komory, nepřesná tloušťka plochého těsnění, různé utahovací momenty šroubů apod.) vždy dochází k tomu, že stacionární část je mírně vychýlena od ideální kolmice vůči hřídeli. Pokud hřídel začne rotovat, kluzná plocha rotační části se neustále snaží přizpůsobit vychýlené kluzné ploše stacionární části. Následkem tohoto procesu vznikají axiální kmity sekundárních těsnících elementů (o-kroužek, PTFE klín apod.), které jsou pod vlivem pružin. S každou otáčkou hřídele o 360° tak musí takovýto dynamický těsnící element vykonat dva pohyby (tam a zpět ve směru osy hřídele) [2]. Povrch hřídele nebo pouzdra je tímto postupně narušován (obr. 2).

obr2
Obr. 2 Příčina tvorby drážky na hřídeli čerpadla prostřednictvím dynamického těsnícího elementu



Drobné úštěpky obrušovaného kovu vnikají do materiálu dynamického těsnícího elementu, což dále zvyšuje jeho abrazivní potenciál a postupem času dochází v tomto místě k úniku média. Z tohoto pohledu je vhodné použít stacionární konstrukci mechanické ucpávky. Výhodou stacionární konstrukce je, že pružící elementy jsou umístěny v části mechanické ucpávky, která se netočí spolu s hřídelí [2]. Dynamický těsnící element je umístěn mimo kontakt s hřídelí nebo pouzdrem čerpadla a tím se vyvarujeme poškozování těchto dílů a následné netěsnosti mechanické ucpávky (obr. 3).

obr3
Obr. 3 Stacionární konstrukce mechanické ucpávky – dynamický o-kroužek, na který působí pružiny je umístěn mimo kontakt s hřídelí čerpadla

 

Působení hydraulických sil
Velmi důležité jsou hydraulické síly, které působí na kluzné plochy ze strany média. Tlak v ucpávkové komoře se přímo přenáší na jednotlivé díly mechanické ucpávky. Pokud je tlak v ucpávkové komoře např. 10 bar, pak nám síla 10 kg/cm2 působí na kluzné kroužky a přitlačuje je k sobě. Tento vztah je samozřejmě komplikovanější, ale jedné souvislosti můžeme porozumět už nyní – mechanická ucpávka netěsní o to lépe, o co více jsou kluzné plochy stlačeny. Čím více jsou k sobě plochy přitlačovány, tím vzniká vyšší tření, což generuje nechtěný nárůst teploty a rovněž opotřebení materiálu. Ale existuje způsob, jak tento hydraulický přítlak výrazně snížit a tím je použití mechanické ucpávky s tlakovým odlehčením, kdy pouhou změnou konstrukce kluzných ploch můžeme hydraulický přítlak ze strany média výrazně snížit [3].
Posledním faktorem je volba materiálu mechanické ucpávky. Čerpaná média mohou mít rozličný charakter. Počínaje teplotou (podchlazené, horké), viskozitou a hustotou (dobře a špatně tekuté), oxidačně-redukčním potenciálem (korozivní vlastnosti), vodíkovým exponentem – pH (kyselé, zásadité), podílem pevných částic (neabrazivní, abrazivní) či jinými vlastnostmi (např. lepivá média, silně alkalická média, chod na sucho atd.). Všechny tyto faktory je nutno, spolu s parametry čerpadla (otáčky hřídele, tlak v ucpávkové komoře, vakuum a pod.) dobře zvážit. Výsledkem toho jsou různé kombinace v materiálech kovů, kluzných ploch a sekundárních těsnících prvků (polymerů) navržené mechanické ucpávky.

Závěr
V dnešní době je na trhu velké množství mechanických ucpávek a pro provozovatele čerpadel je značně obtížné se v jejich konstrukcích správně zorientovat. Existuje však několik základních doporučení, při jejichž splnění lze možné selhání mechanické ucpávky výrazně eliminovat.
Pokud budeme chtít správně specifikovat pružící elementy ve smyslu „uspořádání – konstrukce – materiál“, tak nejlepším řešením se jeví použití konstrukce se skupinou pružinek po obvodu, které budou umístěny mimo médium a tyto pružiny budou vyrobeny z materiálu Hastelloy C. Pokud umístíme dynamické těsnící elementy mimo hřídel nebo pouzdro čerpadla, pak se vyhneme tvorbě drážky a následné netěsnosti mechanické ucpávky. Stacionární kazetová konstrukce mechanické ucpávky je z tohoto pohledu spolehlivým řešením. A v neposlední řadě je třeba při navrhování materiálu jednotlivých dílů mechanické ucpávky dobře zvážit charakter a chování čerpaného média.
Existují i další detaily v konstrukcích mechanických ucpávek, kterým stojí zato se vyhnout. A to vše neplatí pouze pro utěsnění čerpadel, ale také míchadel, mixérů, agitátorů, kompresorů apod. Těsnění rotačních strojů je plně ve vašich rukou a záleží pouze na vás, zda chcete něco změnit.

Použitá literatúra
[1] Lobanoff, V. S. & Ross, R. R.: (2013). Centrifugal pumps: design and application. Elsevier.
[2] Mayer, E.: (2013). Mechanical seals. Butterworth-Heinemann. [3] Tietze, W. (Ed.). (2003). Handbuch Dichtungspraxis. Vulkan-Verlag GmbH.

TEXT/FOTO Jiří Prokop
Lektoroval: doc. Ing. Miroslav Rakyta, PhD.