Всем известны современные тенденции в сфере обеспечения герметичности газоперекачивающих агрегатов:

• Создание сухих (без масляных) нагнетателей природного газа, нагнетателей, у которых в качестве подшипников используется магнитный подвес, а в качестве уплотнений – газодинамические торцовые уплотнения.
• Применение газодинамических торцовых уплотнений и традиционными масляными подшипниками.
• Применение малорасходных торцовых масляных уплотнений.

Эти варианты имеют свои преимущества и недостатки, но речь пойдет не о них, а о старых, добрых щелевых уплотнениях.

Уплотнения щелевого типа на сегодняшний момент широко применяются в нагнетателях природного газа постройки 70-х – 90-х годов прошлого века. Проведение на таких машинах модернизаций с заменой щелевых уплотнений на дорогостоящие торцевые масляные, а тем более на сухие газодинамические экономически не целесообразно.

Начало работ по созданию простого, надежного и при этом малорасходного уплотнения щелевого типа были начаты во ВНИИГАЗе в лаборатории центробежных нагнетателей при непосредственном участии В.И. Музалевского и И.В. Барцева в конце 90-х годов прошлого века.

Толчком к разработке нового щелевого уплотнения послужил опыт производства и эксплуатации пар трения торцевых уплотнений из алюминия, подвергнутого микродуговому оксидированию. В результате микродугового оксидирования на поверхности детали из алюминиевого сплава образуется слой окиси алюминия (Аl₂О₃) с уникальными свойствами:

• Высокая твердость и износостойкость.
• Низкий коэффициент трения, и, как следствие, низкое тепловыделение при трении.
• Хорошие антизадирные свойства.

В отличие от традиционной конструкции щелевых уплотнений, когда на вал устанавливаются два плавающих кольца. Одно кольцо держит перепад давления «масло-газ», а другое «масло-слив», при этом уплотнение осуществляется по валу и по торцам уплотнительных колец, новое щелевое уплотнение выполнено в виде цилиндра с фланцами по краям. Для компенсации осевого размера и обеспечения герметичности на торце со стороны газовой полости устанавливается подпружиненная втулка с резиновыми уплотнительными кольцами. Со стороны полости слива притертый торец уплотнения упирается в торец крышки. Из гидравлики известно, что при одном и том же диаметральном зазоре минимальный расход через щель можно обеспечить при условии соосного расположения вала и втулки, т.е., если зазор между валом и втулкой будет равномерным по периметру. Для обеспечения этого условия на рабочей поверхности уплотнения выполнены углубления («карманы») глубиной около 100 мКм, к которым подводится масло. При вращении вала на границе кармана (ступеньки Рэлея) образуется скачек давления (масляный гидродинамический клин). Поскольку по внутреннему диаметру выполнено несколько карманов, то образуется устойчивая динамическая система с обратной связью, реагирующая на изменение положения втулки относительно ротора появлением восстанавливающей силы.

В процессе работы газоперекачивающего агрегата происходит нагрев деталей, что приводит к увеличению первоначального зазора между втулкой и валом т.к. коэффициент линейного расширения стали и алюминия отличаются в 1,6 раза. Для компенсации увеличения зазора между втулкой и валом в конструкции уплотнения предусмотрены стальные стягивающие болты между жесткими фланцами втулки. При нагревании линейный размер между наружными сторонами фланцев увеличивается, но поскольку фланцы стянуты болтами, то эти болты препятствуют свободному удлинению втулки. Возникает сила, которая деформирует втулку в радиальном направлении, что частично компенсирует увеличившийся зазор.

В конце 2004 года по согласованию с ПО по ЭКС ООО «Тюменьтрансгаз» было принято решение об установки щелевых уплотнений на нагнетатель ГПА-Ц-16 с целью проверки работоспособности, надежности и заявленных в технических условиях параметров.

В марте 2005 года на ГПА №53 Карпинского ЛПУ МГ при участии специалистов нашей фирмы были установлены щелевые уплотнения описанной конструкции.

После наработки 5500 часов была проведена ревизия уплотнений, которая показала, что состояние рабочих поверхностей щелевого уплотнения хорошее, износы отсутствуют, расход масла составил не более 0,15 л/час на одно уплотнение, что соответствовало заявленным в ТУ показателям.

На основании полученных данных был принято решение:

• Продлить испытания, переведя их в разряд ресурсных.
• Расширить испытания, установив аналогичные уплотнения еще на один нагнетатель ГПА-Ц-16 №63, что и было сделано в октябре 2006 года.

В марте 2008 года был проведен очередной осмотр щелевых уплотнений на ГПА № 53. К этому моменту щелевые уплотнения отработали 12 500 часов.

По результатам осмотра составлен акт:

• состояние рабочих поверхностей уплотнения хорошее, износы отсутствуют;
• невозвратные потери масла по нагнетателю (на два уплотнения) 0,25-0,30 кг/час;
• перепад давления «масло-газ» в процессе работы был - 2,1 кгс/см²;
• существенных колебаний перепада давления «масло-газ» отмечено не было.

Принято решение продлить ресурсные испытания.

Наработка нагнетателя ГПА-Ц-16 №63 с новыми щелевыми уплотнениями на 17 марта 2008 года составила около 3000 часов, уплотнения продолжают работать.

1. Разработано, изготовлено и испытано в условиях эксплуатации надежное, долговечное и не дорогое уплотнение щелевого типа.

2. Уплотнения поставляются в заводской готовности и устанавливаются на отремонтированные ротора (наружный диаметр защитной втулки по чертежу завода-изготовителя).

3. Уплотнения устанавливаются в штатные корпуса компрессоров, без каких бы то ни было дополнительных мероприятий. Масляная система, КИП и система автоматики также не требуют изменений.

4. Потери масла на одно уплотнение составили 0,125-0,15 кг/час. В случае перехода на конструкцию патронного типа потери масла на одно уплотнение составят не более 0,1кг/час, что соответствует лучшим показателям торцевых уплотнений.