Подшипники в установках опреснения воды

Опреснение морской воды промышленным методом обратного осмоса (RO — Reverse Osmosis) требует нагнетания агрессивной соленой среды через мембраны под давлением от 60 до 85 бар. Главные вызовы для кинематики на таких объектах — экстремальная питтинговая коррозия из-за высоких концентраций хлоридов, колоссальные осевые нагрузки в насосном оборудовании и жесткие экологические запреты на использование углеводородных смазок внутри проточных частей.

Питающие насосы высокого давления (HPP)

Сердце опреснительной установки — многоступенчатые центробежные насосы высокого давления. Именно они создают напор, необходимый для преодоления осмотического давления воды. При работе на давлениях свыше 60 бар на ротор насоса действует гигантская осевая сила, стремящаяся выдавить вал в сторону всасывания.

Опорные узлы этих насосов вынесены за пределы проточной части (в сухую зону) и строятся на базе радиально-упорных шарикоподшипников:

• Для компенсации экстремальных осевых векторов узлы собираются попарно или по три штуки по схеме «О-образно» (Back-to-Back) или «тандем».
• Подшипники оснащаются массивными латунными сепараторами, устойчивыми к вибрациям, возникающим при пульсации давления.
• Поскольку узлы работают при высоких оборотах (около 3000 об/мин) и несут большую нагрузку, консистентная смазка здесь не справляется. Применяется жидкостная масляная ванна с принудительным охлаждением картера.

Надежность таких узлов напрямую зависит от качества торцевых механических уплотнений. Малейший прорыв морской воды в масляный картер мгновенно превращает лубрикант в эмульсию, что ведет к катастрофическому разрушению стальных подшипников за несколько часов.

Устройства рекуперации энергии (ERD)

В процессе обратного осмоса очищается лишь около 40-50% воды, остальное сбрасывается в виде концентрата (рассола), находящегося под высоким давлением. Чтобы не терять эту энергию, рассол направляют в турбонагнетатели (Energy Recovery Devices), которые помогают крутить основной вал.

В турбочарджерах ротор вращается непосредственно внутри потока агрессивного рассола. Использование масляной смазки здесь технологически недопустимо из-за риска загрязнения питьевой воды. Поэтому стальные узлы полностью заменяют на подшипники скольжения из карбида кремния (SiC):

• Карбид кремния обладает экстремальной твердостью и абсолютной химической инертностью к хлоридам.
• Они работают как гидродинамические подшипники: смазкой выступает сама перекачиваемая морская вода. На высоких оборотах между валом и втулкой из SiC образуется водяная пленка, исключающая сухое трение.
• Для восприятия осевых нагрузок от потока жидкости применяются упорные подшипники из того же материала, работающие по принципу гидродинамической пяты.

Интеграция керамических узлов скольжения позволяет создавать полностью герметичные турбины без сложных и уязвимых масляных картеров, что снижает стоимость обслуживания ERD-систем практически до нуля на протяжении 5–7 лет.

Вертикальные водозаборные насосы: варианты опорных элементов

Забор воды из моря осуществляется мощными вертикальными полупогружными насосами. Вал такого насоса может достигать в длину 10–15 метров, опускаясь прямо в морскую воду, содержащую взвесь песка и ила.

Для центровки длинного вала по всей его длине устанавливаются промежуточные эластомерные (резиновые) направляющие подшипники скольжения (Cutless bearings):

• Втулки из специализированных полимеров или нитрильной резины имеют внутренние продольные канавки.
• Смазкой и охладителем выступает забортная вода, проходящая по этим канавкам.
• При попадании абразива (кварцевого песка) между валом и втулкой, твердая песчинка вдавливается в упругую резину, прокатывается в ближайшую дренажную канавку и вымывается потоком воды, не царапая стальной вал.

Такая эластичная кинематика прощает небольшие перекосы длинных валов и демонстрирует максимальную живучесть в условиях работы с неочищенной морской водой в зонах прибрежного шельфа.

Распределение опорных узлов в системах опреснения (RO):

Вопрос-ответ

Почему внутри проточной части ERD не используют нержавеющие подшипники (например, AISI 440C, как в водолазном снаряжении)?

Морская вода, а тем более концентрированный рассол температурой +25…+30 °C, вызывает стремительную питтинговую (точечную) и щелевую коррозию даже у высокоуглеродистых нержавеющих сталей. В таких средах могут работать только супердуплексные сплавы, титан или техническая керамика (карбид кремния/SiC), которая вообще не вступает в реакции с окислителями.

Как вода может служить смазкой для подшипников SiC, если у нее нулевая кинематическая вязкость?

Вязкость воды действительно в десятки раз ниже масла, поэтому несущая способность водяного клина меньше. Однако при скоростях вращения ротора турбочарджера (от 3 000 до 6 000 об/мин) даже воды достаточно для создания устойчивой гидродинамической пленки. Опасен лишь момент пуска и остановки (полусухое трение), но здесь спасает алмазная твердость самого карбида кремния, который не допускает задиров.

Из-за чего чаще всего выходят из строя осевые подшипники насосов высокого давления?

Главная причина — нарушение гидравлического режима, в частности, кавитация или гидроудары. При резком перепаде давления или завоздушивании системы возникает ударная осевая вибрация. Шарики с огромной силой бьют по дорожкам качения и сепаратору, что приводит к мгновенному бринеллированию (образованию вмятин) и разрушению радиально-упорного узла.

Технико-коммерческий инженер ГК Индатэк Смирнов А. В.