Винтовые насосы для химических производств: применение и обслуживание

Принцип работы и конструкция одновинтовых насосов

Одновинтовые насосы, также известные как эксцентриковые шнековые насосы или насосы с прогрессивной полостью (progressive cavity pumps, PCP), относятся к объёмному типу гидравлических машин. Их конструкция основана на взаимодействии металлического ротора с однозаходной спиралью и эластомерного статора с двухзаходной внутренней винтовой поверхностью. При вращении ротора внутри статора образуются герметичные замкнутые полости, которые перемещаются от зоны всасывания к зоне нагнетания, обеспечивая равномерную подачу перекачиваемой среды без пульсаций.

Ключевая особенность конструкции заключается в эксцентриситете между осями вращения спиралей ротора и статора, что создаёт линию контакта между рабочими элементами и формирует герметичную пару трения. Ротор изготавливается из легированной или нержавеющей стали (типичные марки 12Х18Н10Т, 40Х13) с последующей термообработкой или нанесением защитных покрытий — азотированием, хромированием, твёрдым хромом. Статор представляет собой металлический корпус с запрессованной эластомерной обоймой, внутренняя поверхность которой имеет точную геометрию, соответствующую профилю ротора.

Конструктивные элементы насосного агрегата

Типовая конструкция одновинтового насоса включает следующие основные узлы: приводная часть с электродвигателем и редуктором или мотор-редуктором, соединительная муфта (кардан или шарнир), приводной вал с опорным подшипником, уплотнение вала (торцовое механическое или сальниковая набивка), корпус насоса с всасывающим и нагнетательным патрубками, героторная пара (ротор и статор). Корпусные детали изготавливают из чугуна или нержавеющей стали в зависимости от агрессивности перекачиваемой среды.

Применение в химической и лакокрасочной промышленности

Винтовые насосы получили широкое применение в химическом производстве благодаря уникальному сочетанию эксплуатационных характеристик. Способность перекачивать высоковязкие среды с вязкостью до 1 000 000 мПа·с (1 миллион сСт) делает их незаменимыми при работе с полимерными композициями, смолами, пастами и клеевыми составами. Отсутствие пульсаций потока обеспечивает точное дозирование реагентов в непрерывных технологических процессах, а низкие сдвиговые нагрузки позволяют сохранять структуру чувствительных дисперсий и эмульсий.

Производство лакокрасочных материалов

В лакокрасочной отрасли одновинтовые насосы применяют для перекачивания пигментных паст, связующих веществ, растворителей, готовых эмалей и грунтовок. Особые требования предъявляются к бережной обработке пигментных дисперсий — интенсивное механическое воздействие может привести к разрушению агломератов пигмента и изменению колориметрических характеристик продукта. Конструкция винтового насоса с плавным перемещением среды без турбулентных завихрений минимизирует механическое воздействие на структуру материала.

Производство клеев и герметиков

Технологические линии по производству клеевых составов требуют насосного оборудования, способного работать со средами экстремальной вязкости. Полиуретановые и эпоксидные композиции, силиконовые герметики, термоплавкие клеи имеют консистенцию от текучей пасты до практически твёрдого состояния. Одновинтовые насосы с увеличенным шагом спирали и усиленным приводом обеспечивают стабильную подачу таких материалов при давлении нагнетания до 48 бар (для специальных исполнений — до 96 бар).

Производство бытовой химии

Перекачивание моющих средств, шампуней, гелей для душа и других продуктов бытовой химии сопряжено с особенностью — высоким пенообразованием. Винтовые насосы благодаря отсутствию кавитации и минимальному захвату воздуха позволяют избежать вспенивания продукта при транспортировке. Щелочная среда большинства моющих составов требует применения статоров из EPDM или специальных химостойких эластомеров.

Материалы статоров для различных химических сред

Выбор материала эластомера статора является ключевым фактором, определяющим работоспособность и ресурс одновинтового насоса. Неправильный подбор материала приводит к набуханию, растрескиванию или химическому разрушению обоймы статора, что влечёт потерю герметичности рабочей пары и выход насоса из строя. Каждый тип эластомера имеет характерный спектр совместимых и несовместимых химических веществ, а также ограниченный температурный диапазон эксплуатации.

Бутадиен-нитрильный каучук (NBR)

Нитрильный каучук является наиболее распространённым материалом статоров общего назначения. Он демонстрирует отличную устойчивость к нефтепродуктам, минеральным маслам, алифатическим углеводородам и обладает высокой механической прочностью. Рабочий температурный диапазон составляет от -40°C до +100°C, при более высоких температурах материал подвергается ускоренному старению, теряет эластичность и становится хрупким. Существенным недостатком NBR является низкая стойкость к озону, что ограничивает срок хранения запасных статоров.

Этилен-пропилен-диеновый каучук (EPDM)

Эластомеры EPDM отличаются высокой химической стойкостью к полярным средам: разбавленным кислотам и щелочам с концентрацией до 10%, спиртам, кетонам, сложным эфирам, горячей воде и пару. Температурный предел эксплуатации достигает +120°C, а морозостойкость позволяет работать при -40°C. Материал превосходно противостоит атмосферному старению и воздействию озона. Категорически недопустимо применение EPDM для перекачивания минеральных масел, бензина и ароматических углеводородов — в этих средах эластомер интенсивно набухает и разрушается.

Фторсодержащие эластомеры (FKM / Viton)

Фторкаучук обладает наиболее широким спектром химической стойкости среди доступных эластомеров. Он устойчив к воздействию масел, топлива, ароматических углеводородов, хлорированных растворителей, разбавленных неорганических кислот. Температурный диапазон от -20°C до +200°C (кратковременно до +230°C) позволяет применять FKM в высокотемпературных процессах. Материал негорюч, обладает низкой газопроницаемостью. Ограничением является несовместимость с кетонами, сложными эфирами, аммиаком, горячей водой и паром.

Критерии выбора эластомера статора

Подбор оптимального материала статора требует комплексного анализа условий эксплуатации. Помимо химической совместимости, необходимо оценить температурный режим процесса (включая пиковые значения при пуске и остановке), наличие и концентрацию абразивных частиц в среде, требуемый ресурс работы и экономическую целесообразность применения дорогостоящих эластомеров.

Алгоритм выбора материала

Первым шагом определяют химический состав перекачиваемой среды и её основные параметры: pH, концентрацию агрессивных компонентов, температуру. По таблицам химической стойкости производителей эластомеров выбирают материалы, совместимые с данной средой. Затем уточняют температурный диапазон эксплуатации и отсеивают варианты, не удовлетворяющие термическим требованиям. При наличии абразивных включений предпочтение отдают материалам с повышенной износостойкостью — полиуретану или специальным маркам NBR с увеличенной твёрдостью.

Влияние температуры на ресурс

Эксплуатация статора при температурах, близких к верхнему пределу для данного эластомера, приводит к значительному сокращению ресурса. Согласно эмпирическому правилу, повышение рабочей температуры на каждые 10°C сверх номинальной сокращает срок службы эластомера примерно вдвое. При расчёте теплового режима следует учитывать не только температуру перекачиваемой среды, но и тепловыделение от трения в рабочей паре, особенно при работе с вязкими средами.

Ресурс и износ героторной пары

Статор одновинтового насоса является основным расходным элементом, определяющим межремонтный интервал оборудования. Износ эластомерной обоймы происходит вследствие механического истирания при контакте с ротором, химического воздействия перекачиваемой среды и термического старения материала. По мере увеличения зазора между ротором и статором возрастают внутренние перетечки, снижаются объёмный КПД и развиваемое давление.

Факторы, влияющие на ресурс статора

Наибольшее влияние на износ статора оказывает содержание абразивных частиц в перекачиваемой среде. Частицы размером свыше 50 мкм вызывают интенсивный абразивный износ внутренней поверхности обоймы. Высокая температура эксплуатации ускоряет термоокислительное старение эластомера. Работа на предельных давлениях нагнетания увеличивает механические нагрузки на статор и интенсифицирует износ. Частые пуски и остановки создают повышенные пусковые нагрузки из-за отсутствия смазывающей плёнки в момент страгивания ротора.

Признаки износа и критерии замены

Основным признаком износа статора является снижение производительности насоса при неизменных условиях эксплуатации. Критерием необходимости замены обычно служит падение подачи на 10-15% от номинального значения. Косвенными признаками износа служат увеличение потребляемой мощности привода, повышение температуры корпуса насоса, появление пульсаций давления на выходе. Современные конструкции насосов предусматривают возможность компенсации износа путём регулировки осевого положения статора или установки компенсационных вставок.

Регламент технического обслуживания

Периодичность и объём работ по техническому обслуживанию винтовых насосов определяются условиями эксплуатации, характеристиками перекачиваемой среды и требованиями производителя оборудования. Регулярное проведение регламентных работ позволяет своевременно выявлять развивающиеся дефекты, предотвращать аварийные отказы и продлевать ресурс дорогостоящих узлов.

Ежесменный осмотр

Перед пуском насоса проверяют отсутствие посторонних предметов в рабочей зоне, состояние защитных кожухов и ограждений, надёжность крепления насоса к раме и трубопроводов к патрубкам. Во время работы контролируют отсутствие посторонних шумов и вибрации, утечек через уплотнение вала и фланцевые соединения, температуру подшипниковых узлов (не более 70°C) и корпуса насоса. Показания манометров и расходомеров фиксируют в журнале эксплуатации.

Периодическое обслуживание

Через каждые 700-750 моточасов рекомендуется производить следующие операции: замена смазки в подшипниковых узлах, проверка соосности насоса и привода, осмотр состояния соединительной муфты, контроль затяжки крепёжных соединений, проверка состояния уплотнений. Через каждые 4000 часов выполняют расширенное обслуживание с разборкой насоса, осмотром ротора и статора на предмет износа, проверкой подшипников и торцовых уплотнений. Замену смазки в редукторе или мотор-редукторе производят через каждые 8000 часов эксплуатации.

Текущий и капитальный ремонт

Текущий ремонт выполняют через 4000-4500 часов наработки или при выявлении дефектов в ходе периодического обслуживания. Типовой объём работ включает: замену статора, торцовых уплотнений, подшипников качения, ревизию соединительной муфты. Капитальный ремонт проводят через 20000-25000 часов эксплуатации. При капремонте выполняют полную разборку насоса, дефектовку всех деталей, замену изношенных элементов, восстановление посадочных поверхностей корпуса, проверку и при необходимости ремонт привода.

Диагностика и устранение неисправностей

Своевременная диагностика позволяет выявить развивающиеся дефекты на ранней стадии и предотвратить аварийные отказы оборудования. Основными методами диагностики винтовых насосов являются: контроль эксплуатационных параметров (давление, подача, потребляемая мощность), вибродиагностика, тепловизионный контроль, анализ смазочного масла.

Снижение производительности

Падение подачи насоса при неизменной частоте вращения и давлении на выходе указывает на увеличение внутренних перетечек вследствие износа героторной пары. Для подтверждения диагноза замеряют фактическую производительность и сравнивают с паспортным значением. При снижении подачи более чем на 10-15% статор подлежит замене. Если причиной является износ ротора (наличие рисок, задиров, потеря геометрии спирали), ротор также заменяют или восстанавливают.

Перегрев насоса

Повышенная температура корпуса насоса может быть вызвана несколькими причинами. Работа всухую — наиболее опасный режим, при котором отсутствие смазки перекачиваемой жидкостью приводит к интенсивному нагреву пары трения, деформации и разрушению статора. Недостаточный зазор между ротором и статором создаёт избыточное трение и тепловыделение. Чрезмерное давление на выходе увеличивает механические потери в рабочей паре. Для защиты от перегрева устанавливают датчики температуры статора с выводом сигнала на систему автоматики.

Повышенная вибрация

Вибрация насосного агрегата свидетельствует о механических проблемах: износе подшипников, дисбалансе ротора, нарушении соосности с приводом, ослаблении крепления к раме. Вибродиагностика позволяет определить характер дефекта по спектру вибрации. Износ подшипников качения проявляется характерными частотами, соответствующими дефектам наружного или внутреннего колец, тел качения. Расцентровка создаёт вибрацию на оборотной частоте с преобладанием осевой составляющей.

Защита от аварийных режимов

Системы защиты предотвращают работу насоса в недопустимых режимах, которые могут привести к разрушению оборудования или аварийным ситуациям. Обязательными видами защиты для насосов, работающих в химической промышленности, являются: защита от сухого хода, защита от превышения давления, защита от перегрева.

Защита от сухого хода

Сухой ход является наиболее разрушительным режимом для одновинтового насоса. При отсутствии перекачиваемой жидкости эластомер статора не получает смазки и охлаждения, что приводит к быстрому нагреву, деформации и разрушению материала. Для защиты применяют различные устройства: датчики уровня жидкости в расходной ёмкости, реле минимального давления на всасывании, датчики температуры статора. Современные насосы оснащаются термодатчиками TSE, встроенными непосредственно в тело статора и срабатывающими при превышении допустимой температуры.

Защита от превышения давления

Винтовые насосы как машины объёмного типа способны развивать давление, ограниченное только прочностью конструкции и мощностью привода. При закрытии напорной арматуры или засорении трубопровода давление на выходе возрастает до аварийных значений. Для защиты устанавливают предохранительные клапаны, срабатывающие при превышении установленного давления и перепускающие поток на всасывание или в дренаж. Дополнительно применяют реле максимального давления с электрическим выходом для отключения привода.

Требования нормативных документов

Насосное оборудование для химических производств должно соответствовать требованиям действующих стандартов и нормативных документов. Общие требования безопасности к насосам и насосным агрегатам устанавливает ГОСТ 31839-2012 (EN 809:1998), распространяющийся на динамические и объёмные (в том числе винтовые) насосы. Стандарт определяет требования к конструированию, сборке, монтажу, эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту насосного оборудования.

Правила приёмки и методы испытаний объёмных насосов регламентирует ГОСТ 17335-79. Основные параметры одновинтовых насосов устанавливает ГОСТ 18863-89. При эксплуатации насосов во взрывоопасных зонах требуется соответствие ТР ТС 012/2011 о безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах и применение электрооборудования с соответствующим видом взрывозащиты согласно серии стандартов ГОСТ 31610.

Для трубопроводов, работающих под избыточным давлением свыше 0,05 МПа, применяются требования ТР ТС 032/2013 о безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением. Нормы вибрации для объёмных насосов, включая одновинтовые, устанавливаются техническими условиями производителя. При необходимости оценки вибрационного состояния могут использоваться общие принципы ГОСТ ИСО 10816-1 для измерений на невращающихся частях машин.

Часто задаваемые вопросы