1Mekaniska tätningar 1.1 Inledning och kort historik Den traditionella typen av tätning för roterande axlar är packboxen. Den har dock ett antal nackdelar: Kräver läckage för att fungera Relativt hög effektförlust Kräver vanligen efterjustering och täta kontroller Sliter på foder eller axel För att lösa dessa problem utvecklades på 1930-talet den mekaniska tätningen. Under 40 och 50-talet expanderade den petrokemiska och kemiska industrin kraftigt och därmed ökade antalet applikationer för mekaniska tätningar kraftigt. Idag är den mekaniska tätningen mycket vanlig för axeldiametrar upp till 250mm. 1.2 Princip En mekanisk tätning består av två huvudbeståndsdelar; en roterande och en stationär yta. F axiell Läckage Roterande yta Stationär yta Figur 1: Principiell funktion mekanisk tätning Mellan den roterande och den stationära ytan bildas en mycket tunn film av mediet. De två ytorna är alltså aldrig i kontakt med varandra förutom när tätningen står still. För att filmen ska kunna bildas krävs en viss hastighet mellan ytorna. Denna hastighet beror i huvudsak av fluidens viskositet och ytornas planhet. Om vätskefilmen kollapsar kommer ytorna att slitas ned mycket snabbt på grund av att de då kommer i kontakt med varandra. Ytorna pressas mot varandra av en axiell kraft som vanligen åstadkoms med hjälp av fjädrar. Den nu beskrivna tätningen mellan den roterande och den stationära delen av tätningen kallas för primär tätning. 1.2.1 Vätskefilm och ångbildning Liksom alla typer av dynamiska tätningar har även den mekaniska tätningen ett läckage. Detta läckage uppstår mellan tätningsytorna:
Mediesida läckage p=p i p=0 0 p i p Tryckfördelning mellan tätningens ytor Figur 2: Tryckgradient över tätningens ytor Läckaget är dock i en mekanisk tätning mycket litet, betydligt mindre än i exempelvis en boxtätning. Normalt pratar man om en fingerborg per 24 timmar. På mediesidan kommer trycket mellan ytorna att vara samma som medietrycket (p i ) medan det på utsidan är noll (atmosfärstryck). Över primärtätningens ytor kommer alltså trycket att sjunka från medietryck till atmosfärstryck (tryckgradient). Detta kan ha betydelse vid varma vätskor. Exempel: En pump för vatten ska tätas: T=160 C p=10 bar övertryck dvs vattnet är i vätskeform. Över primärtätningens ytor kommer enligt ovanstående trycket att sjunka från p=10 bar till p=0 bar. Temperaturen kommer dock att vara i princip 160 C eller strax under. Ångtrycket för 160 C vatten är ca 5 bar övertryck. Vid den punkt där trycket sjunkit till 5 bar kommer vattnet att förångas och vätskefilmen kollapsa. För att lösa detta måste tätningen kylas, se Dubbeltätning. 1.2.2 Statiska tätningen Eftersom ytorna pressas mot varandra måste även den axiellt rörliga ytan tätas. Denna axiella tätning kallas för de statiska tätningen. Även den statiska tätningen rör sig, men endast axiellt och långsamt, beroende på slitage hos tätningsytorna eller axiella rörelser hos axeln.vanligaste utförandet på den statiska tätningen brukar vara en bälg eller en O-ring. Figur 3: Exempel sekundärtätning O-ring (källa AES)
1.2.3 Fjäderarrangemang Den axiella kraften åstadkoms vanligen av fjädrar. Det finns här två olika utföranden; single-spring och multispring. Single-spring innebär som hörs av namnet att den axiella kraften skapas av en fjäder: Figur 4: Single spring Detta är den billigaste varianten. Nackdelen med single-spring utförandet är att kraften från fjädern varierar under varvet. Multispring-utförandet har flera mindre fjädrar som trycker på ytan: Figur 5: Multispring-utförande Med detta arrangemang fås i princip samma fjädertryck på ytorna hela varvet runt. Nackdelen är något högre pris. 1.2.4 Balansering av tätningen Det tryck som fjädrarna ger på ytorna är vanligen 1-2 bar vid stillastående tätning och inget medietryck. När medietrycket ökas påverkas trycket på ytorna:
Tryck på ytorna Medietryck Figur 6: Medietryckets påverkan på trycket över ytorna Detta innebär att trycket över ytorna ökar när medietrycket ökar. Om filmtrycket blir alltför högt kollapsar filmen och tätningen havererar. För att avhjälpa detta kan man balansera tätningen: Medietryck Tryck på ytorna Figur 7: Balanserad tätning Balansering av tätningen innebär att man ger mediet möjlighet att verka på båda sidor om tätningen, dvs medietrycket balanserar ut sig. Genom att balansera tätningen kan man få tätningen att klara högre medietryck. Den tål dessutom variationer i trycket bättre.
1.3 Material 1.3.1 Ytkombination Beroende på temperatur, medie, rotationshastighet mm rekommenderas olika material i ytorna. 1.3.1.1 Kol/Keramik En vanlig kombination med god kemisk resistens. Keramen är dock spröd och har även mycket dålig värmeledningsförmåga. Används med fördel till rent vatten samt oljor (rena medier vid låga temperaturer) 1.3.1.2 Kol/Kromoxid Kromoxiden har bättre värmeledningsförmåga än keramik. Kombinationen är mycket lämplig i basiska miljöer (ph > 2,5). Vanliga applikationer är vatten och vattenbaserade media vid relativt låga temperaturer samt medier som ej angriper syrafast material. 1.3.1.3 Hårdmetall/hårdmetall Segare än keram men något sämre hårdhet vilket ger sämre slitagegenskaper. Tål tryckslag bra men mycket känsligt för torrkörning. 1.3.1.4 Kol/hårdmetall Mycket god kemisk beständighet. Mycket hård men samtidigt spröd kombination. Kanske den mest lämpliga kombinationen för hetvatten. 1.3.1.5 Hårdmetall/kiselkarbid Lämpligt för slitande media. 1.3.1.6 Kiselkarbid/kiselkarbid Goda slitageegenskaper och kemisk beständighet. Klarar i princip alla medier. 1.3.2 Statisk tätning O-ringar finns i ett stort antal kvaliteter nedan följer de vanligaste och deras egenskaper. För samtliga material rekommenderas att kemikaliebeständigheten kontrolleras för önskat medie. 1.3.2.1 Viton Viton är ett av de vanligaste materialen i O-ringar till mekaniska tätningar. Det är ett fluorgummi som utvecklades av DuPont. Temperaturområdet är -20 C - +200 C men för hetvatten rekommenderas max +80 C. Viton har goda slitageegenskaper och relativt god kemisk beständighet.
1.3.2.2 EPDM EPDM har bättre lågtemperaturegenskaper än viton, temperaturområdet är -20 C - +160 C, för hetvatten rekommenderas dock max 120 C. Återfjädringen är också något bättre medan kemikaliebeständigheten i allmänhet är något sämre. EPDM är ofta ett bra val för basiska medier, exempelvis lut. 1.3.2.3 Kalrez Även Kalrez är en elastomer utvecklad av DuPont. Kalrez är ett exklusivt material med extremt god kemikaliebeständighet och temperaturbeständighet. Materialet klarar temperaturer upp till strax över 300 C för vissa kvaliteter av Kalrez. Ett flertal olika kvaliteter finns. 1.3.2.4 Aflas Aflas är ett billigare material än Kalrez men med god kemikaliebeständighet. Temperaturgränsen är lägre, +204 C. Aflas är mer likt Viton men tål Hetvatten men är något sämre på vissa syror. 1.4 Olika utföranden på tätningar 1.4.1 Patrontätning Genom att montera roterande och stationär del tillsammans med fjädrar och hylsa till en sammanhängande enhet får man en patrontätning. Patrontätningen togs fram för att på ett enkelt sätt kunna ersätta en boxtätning med mekanisk tätning: Figur 8: Patrontätning (källa AES) Patrontätningen konstrueras oftast för att passa i befintliga bulthål för glandet till boxpackningen. Tätningen på bilden är den enklaste varianten av patrontätning. 1.4.2 Dubbeltätning
Figur 9: Dubbeltätning (källa AES) Ett exempel på när en dubbeltätning krävs är när tätningen behöver kylas eller när det pumpade mediet är toxiskt och dubbel säkerhet önskas.