Импортозамещение уплотнительных узлов наукоемкого промышленного оборудования

Существенное сокращение промышленности и потеря значительного количества квалифицированных специалистов, в том числе, в наукоемких областях машиностроения, с момента образования и становления современной России в 90-х годах прошлого века, привели промышленную экономику нашей страны к практически полной зависимости от импортного оборудования, его комплектующих узлов и деталей. Выбранный современный путь развития, сложившиеся экономические условия и связанные с ними инвестиции от зарубежных компаний, нацелены на получение максимального дохода, за возможно короткие сроки, в основном в добывающих и перерабатывающих отраслях. Такой путь развития проводится в ущерб создания самодостаточной отечественной наукоемкой промышленности, базирующейся на современных перспективных исследованиях, конструкторских разработках, технологиях и инновациях, собственных грамотных инженерно-технических специалистах.

Недавнее воссоединение с Крымом и последовавшее за этим введение западом экономических ограничений на поставку в Россию высокотехнологичного наукоемкого оборудования (двойного назначения) усугубило проблему развития реального сектора экономики. В этих условиях правительство было вынуждено принять решения по импортозамещению и инновациям для развития отечественной промышленности и повышению её конкурентоспособности. Новая реальность послужила стимулом для переориентации большого количества малых и средних компаний, в том числе имеющих свидетельства СРО, на проектирование и производство наукоёмкого промышленного оборудования при фактическом недостатке профессиональных квалифицированных специалистов.

Проблема инновационного импортозамещения уплотнительных узлов наукоемкого промышленного оборудования в сложившихся условиях ограниченного финансирования, нехватки собственных инженерно-технических кадров и отсутствия у них многолетнего опыта и навыков работы в соответствующих областях, приводит к созданию требуемого для заказчиков оборудования с использованием принципа подбора полностью или частично готовых дешевых узлов и деталей, в том числе, зарубежного производства. В этом случае создаваемое новое оборудование часто компонуется без проведения необходимых инженерных расчетов недостаточно квалифицированными специалистами в области уплотнительной техники. Уплотнения подбираются без учёта особенностей рабочей среды по предельным параметрам на основе общей информации из каталогов и рекламных проспектов, при этом не принимаются во внимание взаимосвязи совместной работы уплотнений с другими узлами оборудования.

Результатом такого рода импортозамещения является создание действительно конкурентоспособного по закупочной цене наукоёмкого промышленного оборудования, как правило, с невысокими показателями надежности, долговечности и существенными эксплуатационными расходами и затратами. Один из примеров применения вышеупомянутого принципа подбора, его последствия и практические пути решения возникшей проблемы, на основе модернизации уплотнительного узла оборудования и использования инновационного торцевого уплотнения, приводятся ниже.

В конце 2015 года одной российской фармацевтической компанией была выявлена проблема возникновения утечек - расхода дорогостоящих фармацевтических жидкостей в процессе работы специально спроектированного и изготовленного нового высокотехнологичного оборудования (см. Рисунок 1).

Высокотехнологичное оборудование (реактор) и  уплотнительный узел гомогенизатора с торцевым уплотнением типа 2100
Рисунок 1. Высокотехнологичное оборудование (реактор) и уплотнительный узел гомогенизатора с торцевым уплотнением типа 2100

За время эксплуатации этого оборудования каждые 5...10 дней требовалась замена торцевого уплотнения тип 2100 английской компании Джон Крейн (поз. 46, Рисунок 1) вследствие выхода его из строя (см. Фото 1).

Вышедшее из строя торцевое уплотнение Джон Крейн тип 2100
Фото 1. Вышедшее из строя торцевое уплотнение Джон Крейн тип 2100

Запросы фармацевтической компании к проектировщику-изготовителю оборудования, связанные с выявленной проблемной работой уплотнительного узла гомогенизатора реактора, оставались без ответа. Механик фармацевтической компании был вынужден регулярно заказывать в торговых компаниях и сервисных центрах, как оригинальную английскую продукцию - уплотнения Джон Крейн тип 2100, сертифицированные в России, так и аналогичные по конструкции и материалам импортные торцевые уплотнения типов BS2100, SN2100 без сертификатов. Однако это не помогало решить проблему надежной и долговечной работы реактора с обеспечением необходимой герметичности, в том числе, вследствие отсутствия у менеджеров по продажам уплотнений и механика необходимых специальных знаний и опыта в области уплотнительной техники. Цена сертифицированного английского уплотнения тип 2100 составляла около 6000 рублей, аналоги предлагались по ~ 4000 рублей за комплект. Ежегодные оценочные убытки около 300000 рублей включали невозможность использования оборудования вследствие его простоя из-за необходимости регулярной и частой замены штатного торцевого уплотнения, затрат на приобретение и установку новых уплотнений, с неизбежным ухудшением технического состояния реактора при каждой его разборке и сборке.

Для решения возникшей проблемы на первом этапе потребовалось проведение экспертизы работоспособности уплотнительного узла при известных рабочих параметрах. Английские торцевые уплотнения Джон Крейн тип 2100 и их аналоги предназначены только для внутреннего расположения в оборудовании с обеспечением гидравлической нагрузки со стороны их наружной поверхности, а указанные в каталогах предельные рабочие параметры не могут применяться совместно. В результате проведенного расчетного анализа были получены доказательства использования проектировщиками реактора принципа подбора: отсутствие гидравлической нагрузки со стороны наружного диаметра уплотнения; ошибочность в выборе материалов для колец пары трения (которые интенсивно изнашивались в рабочей среде, содержащей мелко-абразивные включения); и самое главное - оборудованием не обеспечивались необходимые и достаточные условия для надежной и долгой работы торцевого уплотнения в широком диапазоне перепадов давления от -0,5 до 9 бар и скорости вращения вала гомогенизатора 4500 мин-1.

Второй этап был связан с выполнением комплекса проектно-расчетных работ по модернизации уплотнительного узла гомогенизатора реактора с импортозамещением его штатного торцевого уплотнения.

В процессе проведения работ оказалось невозможным применение готовых стандартных уплотнений без существенной дорогостоящей модернизации агрегата.

Поэтому было принято компромиссное решение о проектировании специального прецизионного торцевого уплотнения на основе инновационных технических решений (патенты РФ №53744 и №116932 [1, 2]) с минимально возможной модернизацией уплотнительной камеры гомогенизатора.

Модернизированный уплотнительный узел гомогенизатора реактора со специальным торцевым уплотнением
Рисунок 2. Модернизированный уплотнительный узел гомогенизатора реактора со специальным торцевым уплотнением.

После проектирования специального торцевого уплотнения и внесении незначительных, но важных изменений в уплотнительную камеру гомогенизатора реактора, проводились работы по изготовлению инновационной опытной продукции (см. Рисунок 2 и Фото 2). Одновременно фармацевтическая компания своими силами проводила работы по модернизации уплотнительной камеры гомогенизатора реактора на основе разработанной нашей стороной рабочей документации.

Специальное торцевое уплотнение вала гомогенизатора реактора
Фото 2. Специальное торцевое уплотнение вала гомогенизатора реактора.

Опытная партия специальных торцевых уплотнений с твёрдыми износостойкими материалами колец пары трения была передана фармацевтической компании. Установка опытного образца уплотнения проводилась в соответствии с его инструкцией. При гидравлических испытаниях уплотнительной камеры гомогенизатора реактора утечек через специальное торцевое уплотнение не наблюдалось. У руководства фармацевтической компании было пожелание по замене уплотнения гомогенизатора не чаще одного раза за полугодие.

Эксплуатационные испытания реактора за период с 2016 по 2019 годы показали, что специальные торцевые уплотнения работают без замечаний до замены 8...12 месяцев.
Подобные проблемы с надежностью и долговечностью высокотехнологичного отечественного оборудования, связанные с необходимостью регулярной замены через каждые 7 часов ... 10 дней торцевых уплотнений типа 2100 и других простых уплотнений в эксплуатации, периодически появляются как следствие состояния современной экономики России: отсутствие требуемого финансирования и экономии денежных средств на проведение необходимых инженерных расчётов для рационального выбора готовых технических решений уплотнений при проектировании и изготовлении нового оборудования; нехватка квалифицированных инженеров в области уплотнительной техники.

В современном европейском высокотехнологичном промышленном оборудовании часто применяются специальные уплотнительные комплексы (см. Рисунок 3). Цена таких прецизионных изделий составляет 40...70 процентов от стоимости электроагрегата в которое это употнение установливается.

Специальный уплотнительный комплекс фармацевтического оборудования
Рисунок 3. Специальный уплотнительный комплекс фармацевтического оборудования.

За время эксплуатации при износе и выходе из строя подобных уплотнений, вследствие вынужденной экономии или отсутствия необходимых денежных средств, у предприятий возникают сложности с импортозамещением. Заказчик, в большинстве случаев, просит без проведения необходимых проектно-расчетных работ на основе принципа подбора выполнить поиск и осуществить установку самого дешёвого одинарного торцевого уплотнения взамен сложного специального уплотнительного комплекса, содержащего систему смазки и охлаждения.

При этом от исполнителя требуют обязательного обеспечения надежной и долговечной работы уплотнительного узла, используя экономический и юридический подход к решению проблемы, однако законы физики и природы обмануть пока ещё никому не удавалось.

Многолетней мировой практикой и мониторингом рабочих параметров агрегатов, установлено, что примерно в ~90 процентов случаев причины выхода из строя торцевых уплотнений определяется условиями эксплуатации [3]. Функциональное назначение, надежность и работоспособность оборудования всегда первичны и требуют использования инженерного подхода к решению технической задачи. Поэтому оборудование должно обеспечивать необходимые и достаточные условия для надежной и долговечной работы уплотнительного узла.

Выводы

1. Решение задач импортозамещения уплотнительных узлов наукоемкого промышленного оборудования связано одновременно с обеспечением достаточного финансирования и повышением технического уровня знаний специалистов в соответствующей области науки и техники, умением применять эти знания на практике, развитием собственного самодостаточного высокотехнологичного производства.

2. Проектирование и изготовление конкурентоспособного по закупочной цене наукоемкого промышленного оборудования с подбором и применением дешевых торцевых уплотнений валов, как правило, всегда, входит в противоречие с достижением высоких показателей надежности, долговечности и минимальными эксплуатационными расходами и затратами, что связано с поиском компромиссного решения, либо последующим проведением дорогостоящей модернизации существующего оборудования.

3. Наличие сертификатов на серийные уплотнения валов, свидетельства СРО на проектирование нового и (или) модернизацию наукоемкого промышленного оборудования не гарантирует высокое качество, надежность и долговечность его уплотнительных узлов в эксплуатации.

Литература

1. Патент РФ № RU 53744 U1, Уплотнение торцовое Шепелёва, МПК F16J 15/34 / Шепелёв В.А, Шепелёв А.В. // Яндекс.Патенты — поиск по патентным документам. / [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: https://patents.s3.yandex.net/RU53744U1_20060527.pdf (дата обращения 14.02.2020).

2. Патент РФ № RU 116932 U1, Уплотнение торцовое гидравлически разгруженное (варианты), МПК F16J 15/00 / Шепелёв В.А, Шепелёв А.В. // Яндекс.Патенты — поиск по патентным документам. / [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: https://patents.s3.yandex.net/RU116932U1_20120610.pdf (дата обращения 14.02.2020).

3. Mechanical Seal Practice for Improved Performance, 2nd Edition / Edited by JD Summers-Smith; Institution of Mechanical Engineers (Great Britain), London : Published by Mechanical Engineering Publications for the Institution of Mechanical Engineers, 1992. - 217 pages.


12.08.2020