Уплотнения в трубопроводной арматуре
К материалам, из которых изготавливается трубопроводная арматура, предъявляют следующие основные требования: высокая прочность, выносливость, пластичность, коррозионная стойкость, технологичность в изготовлении, долговечность, минимальная стоимость.
Материалы для деталей арматуры выбирают по рабочим условиям эксплуатации с учетом этих и дополнительных требований, зависящих от их назначения, конструктивных особенностей и размеров. Корпуса, крышки, стойки, маховики и другие детали изготавливают из стального и чугунного литья, поковок из углеродистой и легированной стали, а также горячекатаной стали, углеродистой обыкновенного качества, углеродистой конструкционной качественной и ряда марок низколегированной и легированной стали.
Кроме этих материалов для изготовления золотников, седел, клапанов, вкладышей и втулок сальников и других деталей применяют латунь и бронзу, а также прокладочные и уплотнительные материалы (набивки сальников). Уплотнительные поверхности арматуры в ряде случаев наплавляют твердыми сплавами для повышения их износостойкости. Для изготовления отдельных деталей арматуры широко применяют полимерные материалы.
Герметизация криогенных жидкостей является одной из более сложных проблем уплотнительной техники, обусловленной трудностью выбора материалов, совместимых с низкотемпературной средой, возможностью намерзания атмосферной влаги на холодных деталях уплотнения.
Для низкотемпературных уплотнений применяют коррозионно-стойкие стали и бронзы с покрытием карбидом вольфрама в паре с графитом, пропитанным металлом ли фторопластом. Арматура классифицируется по виду уплотнителя: сальниковая арматура и бессальниковая. К сальниковой арматуре относится оборудование, у которого герметизация штока, шпинделя или иного подвижного элемента относительно окружающей среды обеспечивается сальниковым уплотнением. К бессальниковой относится сильфонная и мембранная арматура.
Основные требования, которым должны удовлетворять материалы уплотнений: упругость (чтобы после воздействия нагрузок материал возвращался в исходное состоянии и не крошился), простота шлифовки (ремонтопригодность) и антифрикционные свойства (низкий коэффициент трения, что продлевает срок эксплуатации), стойкость к воздействию рабочих сред.
Сальниковые уплотнители
Сальниковое устройство или сальниковое уплотнение — один из видов уплотнительных устройств подвижных соединений различных устройств и механизмов. Ввиду простоты своей конструкции это одно из самых распространённых и давно известных уплотнительных устройств. Названия сальниковая набивка, сальник, сальниковый узел и другие сохранились с тех времён, когда для уплотнения в этих устройствах использовался пропитанный жиром лен. В современной промышленности применяются другие материалы.
Особенно широко сальники используются в трубопроводной арматуре, где они известны как уплотнение подвижных деталей (узлов) арматуры относительно окружающей среды, в котором применен уплотнительный элемент с принудительным созданием в нём напряжений, необходимых для создания требуемой герметичности.
Сила трения, возникающая между сальниковой набивкой и штоком препятствует последнему совершать необходимые перемещения, а при чрезмерных усилиях затяжки сальника делают их невозможными, поэтому для сальников имеют большое значение конструкторские и технологические решения, обеспечивающие их нормальную работу, среди них:
- материал набивки;
- размеры сальниковой камеры;
- конструкция деталей сальникового узла;
- материал штока (шпинделя), чистота обработки его поверхности и другие.
В некоторых случаях (среди арматуры как правило в регулирующих клапанах) для снижения трения применяются сальники со смазкой, которая подается извне через специальную масленку[4], в тяжелонагруженных механизмах применяется орошение штока водой, например в буровых насосах. По ГОСТ 5152-84 изготавливают крученые, плетеные и скатанные набивки. Крученые набивки получаются путем кручения нити. Плетеные могут быть сквозного плетения, с однослойным оплетением сердечника и многослойного плетения. Скатанные набивки получают путем скатывания полосы прорезиненной ткани в тугой шнур.
Современная сальниковая набивка представляет собой, как правило, шнур или кольца из асбеста с графитовой пропиткой. Также используются безасбестовые уплотнительные материалы из фторопласта или на основе графита. Вместо набивки иногда применяются манжеты из резины. Сухие набивки (без пропитки) чаще всего применяются в арматуре. Их можно использовать при высоких температурах, благодаря отсутствию органических и других смазочных материалов. Наиболее универсальными являются фторопластовые набивки и набивки из углеродистых нитей. Часто набивки пропитываются суспензией фторопласта- для придания им большей износостойкости и непроницаемости. Иностранные компании при изготовлении набивок часто применяю метод диаплексного (многократного) плетения нитей – мультифлекс. Такой вид плетения помогает обеспечит еще более высокую износостойкость и эластичность материала, благодаря упрочнению каркаса набивки. Часто используются графитовые ленты, изготовленные из чистого графита или в связке с суспензией тефлона. Эти ленты проявляют упругие свойства как в продольном, так и в поперечном направлениях.
Диафрагмовые уплотнители
Диафрагмовые уплотнения предназначены для разделения сред и обеспечения перемещения границы раздела при минимальном перепаде давлений между ними. В зависимости от материала и конструктивно-технологических особенностей выделяют мембраны (резиновые, резинотканные) и сильфоны.
Мембрана - это плотная гибкая перемычка. Мембраны по своей форме и конструктивным особенностям бывают: плоские, тарельчатые, конические, гофрированные и мембраны с жестким центром, который предназначен для регулирования гибкости мембраны. По условиям эксплуатации бывают мембраны низкого и высокого давления.
Сильфон – это гофрированная металлическая трубка, которая состоит из одного или нескольких слоев. Сильфон является пластичным изделием, имеет свойство сгибаться, разгибаться, растягиваться под под действием внешних нагрузок. Основным материалом для его изготовления является нержавеющая и стойкая к коррозии сталь. Сильфоны широко применяются в трубопроводной арматуре, в которой они работают подобно пружине в зависимости от изменения параметров давления и температуры.
Нержавеющие сильфоны применяются для разделения сред, в качестве элементов силовых узлов и достаточно часто в качестве уплотнителей в запорно-регулирующих устройствах. Они способны погашать вибрации и обеспечивать необходимую герметичность в трубопроводной арматуре.
Существует несколько основных типов исполнения сильфонов:
- С внутренней посадкой бортов;
- С внешней посадкой бортов;
- С внешним и внутренним диаметром посадки бортов;
- С кольцевым армированием.
Присоединяются сильфоны способом «под приварку».
Основным устройством запорно-регулируемой арматуры, в котором применяются сильфонные уплотнения, является вентиль или запорный клапан. Благодаря такому использованию шток клапана и сальниковый элемент полностью изолируются от рабочей среды, в том числе от горячих, токсичных и взрывающихся веществ. Также сильфоны могут изготавливаться не только из металла, но и из стойкого фторопласта. Они незаменимы в тех случаях, когда существует вероятность утечки опасных веществ. Многослойные сильфонные уплотнители долговечны и применимы практически к любым рабочим средам.
Конструкция запорно-регулирующей арматуры, в которой в качестве уплотнения используется сильфон, отличается высокой стоимостью и сложностью. Но все это оправдывается надежностью подобных устройств. В случае неисправности уплотнительного элемента запорный клапан обычно меняют на новый, а не ремонтируют.
Пластмассовые и паронитовые уплотнительные материалы
Уплотнители из пластмасс и паронитовые прокладки применяются в широком диапазоне температур при давлении до P= 10 МПа. Выбор материала основывается на характеристиках рабочей среды, температуры и давления.
Рассмотрим основные материалы, которые применяются для изготовления уплотнений.
Асбест. На основе данного материала изготавливают прокладочные материалы. Во время обработки асбест распадается на прочные волокна, в соответствии длине которых и назначается маркировка ортов материала. Хризотол-асбест (водный силикат магния, которым асбест является по своему химическому составу) служит основным материалом для изготовления уплотнителей: паронита, армированного полотна, асбестового картона, феронита. Применяется в слабых кислотах и щелочных растворах.
Паронит. Это универсальный уплотнительный материал, который получают путем вулканизации смеси асбеста, каучука и наполнителей. Температурный диапазон: -40° С до + 130 ° С. Из паронита изготавливают листовые , спирально-навитые прокладки.
Армированное асбестовое полотно. Это прорезиненная ткань, изготовленная из асбестовой ровницы, скрученной в нить с латунной проволокой. Прокладки из этого материала используются в среде воды и нефтепродуктов.
Фибра. Основой данного материала является бумага, пропитанная концентрированным раствором хлористого цинка. Фибра не растворяется в керосине, бензине, спирте, ацетоне, но разрушается под воздействием азотной, серной и соляной кислот. Для снижения гигроскопичности фибру пропитывают маслами или парафином. Для прокладок применяют листовую фибру. Для работы в воде, масле и керосине фибру пропитывают касторовым маслом и глицерином.
Бумага кабельная. Кабельную бумагу, пропитанную латексом и полуватман на герметике используются в среде масел, бензина и воды (при низком давлении).
Картон прокладочный. Существует две марки: А - картон, пропитанный проклеивающими веществами, бензостойкий; Б - непропитанный картон, стойкий к нефтепродуктам.
Рисунок №1. Асбест, кабельная бумага, картон прокладочный, фибра.
Уплотнительные материалы
Нитрил. Устойчив к воде, воздуху, инертным газам, кислотам, растворам солей и минеральным жидкостям. Не подходит для эфирных масел на основе синтетических смазочных материалов. Нитрил получил широкое применение в качестве уплотнительного элемента. Температурный диапазон: -40° С до + 130 ° С.
Нитрил (NBR). Еще упрощенно его называют нитрильный каучук. Он считается стандартным материалом уплотнительных колец круглого сечения. Не подходит для эфирных масел на основе синтетических смазочных материалов. Нитрил получил широкое применение в качестве уплотнительного элемента. Температурный диапазон: -40° С до + 130 ° С.
По своим характеристикам соответствует группам резины 1, 2, 3 по ГОСТ 18829-73.
Уплотнения из NBR используется в областях с соответствующими требованиями, как например, гидравлика, двигателестроение, машиностроение, нефтяная промышленность, аппаратостроение.
NBR широко используется из-за того, что он сочетает низкую стоимость (по сравнению с другими базовыми полимерами) с хорошей маслостойкостью и износостойкостью. Недостатком нитрила является его низкая стойкость к высоким температурам, в результате чего материал твердеет и дает трещины.
Особый вид резины NBR - Perbunan®, был разработан фирмой Bayer в 1930 году как первая в мире маслостойкая резина. С тех пор, было проведено несколько "модернизаций" этого каучука. Perbunan® (пербунан) - это торговая марка синтетической резины компании LANXESS Technical Rubber Products, которая входит в концерн Bayer. По сравнению с резинами на основе других каучуков NBR, пербунан имеет более высокие показатели к старению, истиранию, износу. Он обладает большей устойчивостью в среде масел.
Для производителя резиновых изделий, важной особенностью Perbunan® является его улучшенные характеристики в процессе вулканизации, что способствует увеличению производительности предприятия.
Резины на основе NBR обладают хорошей устойчивостью к:
- алифатическим углеводородам (пропан, бутан, бензины)
- большинству минеральных масел и пластичных смазок на их основе
- тяжело воспламеняющейся гидравлической жидкости
- жидкому топливу: бензину, дизельному топливу и мазуту
- животному и растительному маслу и жиру
- горячей воде
- солевым растворам при невысокой температуре
- разбавленным кислотам
- относительно низким температурам
- спирту
- ароматическим веществ с концентрацией менее 40 % (освинцованное горючее)
Низкая стойкость к:
- ацетону
- ультрафиолету и атмосферному воздействию
- уксуснокислотному сложному эфиру
- ароматическим углеводородам (например бензол, толуол)
- хлорированным углеводородам (трихлорэтилен, перхлорэтилен)
- силиконовых маслах и смазках
- тормозным жидкостям на гликолевой основе
- воздействию озона и погодному воздействию.
Витон (FKM). Это искусственная резина — фторкаучук, которая характеризуется высокой термостойкостью и низким коэффициентом выделения паров в вакууме. Благодаря этим свойствам витон используется в качестве уплотнения при высоких температурах, в вакуумных уплотнениях и в агрессивных средах. Устойчив к воздействию воздуха, кислорода, синтетических смазочных материалов на основе эфира, гидравлических масел, моющих средств, природного газа, нефтепродуктов и многих других химических веществ. Устойчив к высоким температурам. Температурный диапазон: -15° С до + 200° С.
Viton® - это зарегистрированная торговая марка фторкаучука, принадлежащая компании DuPont, на сегодняшний день из всех существующих фторкаучуков Viton считается лучшим. На основе фторкаучука изготавливают резиновую смесь, из которой, затем делают уплотнение. В соответствии с различными системами стандартизации словосочетание "фторкаучук" обозначается различными аббревиатурами, но смысл от этого и сам материал не изменяются.
Аббревиатура FPM - в соответствии с указаниями международной организации стандартизации (ISO), аббревиатура FKM - в соответствии с обозначением, принятым Американским обществом тестирования и материалов (ASTM). Т.е. FPM - международное название, а FKM - американское название одного и того же материала. В России принято сокращение - ФК (СКФ-26, СКФ-32).
Фторкаучук Viton® начали выпускать в 1957 году. Начало производства данного материала позволило решить множество проблем в основных отраслях промышленности таких, как: аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, химическая промышленность и транспорт, пищевая и фармацевтическая промышленности, разведка и добыча на нефтегазовых месторождениях, переработка и транспортировка нефти, оборудование для работы в неосвоенной местности и в тяжелых условиях эксплуатации.
Основные применения фторэластомеров — сальники, манжеты, герметики, покрытия, виброгасители, компенсаторы, прокладки, мембраны, заглушки, диафрагмы, термостойкие уплотнительные кольца, уплотнения штоков, термостойкие и пластины.
Материал устойчив к: горючему, старению, агрессивным химическим соединениям, минеральным маслам и жирам, силиконовым маслам и жирам, маслам с серой и высоко ароматическим маслам, биологически разлагающимся гидравлическим жидкостям, озону, алифатическим углеводородам (пропан, бутан, бензины), ароматическим углеводородам (бензин, толуол), хлорированным углеводородам, ультрафиолетовому излучению
Витон не устойчив к: эфирам, тормозным жидкостям на гликолевой основе, органическим кислотам, например октовой и муравьиной, флюсовой кислоте, кетонам (ацетон, ацетофенон), раскаленному водяному пару, аммиаку, аминам, полярным растворителям (ацетон, метилэтилкетон, диоксан)
Следует учитывать, что при повышении температуры уплотнений из фторэластомеров более +300°С, из них начинают выделяться токсичные газы и пары, и даже после охлаждения данные материалы не безопасны.
Сведения о работоспособности резин на основе фторкаучука Viton при повышенных температурах:
10000 часов при Т=204 °С.
3000 часов при Т=232 °С.
1000 часов при Т=260 °С.
240 часов при Т=288 °С.
48 часов при Т=316 °С.
Viton® сохраняет хорошие уплотняющие свойства после пребывания на воздухе в течении более 10000 часов при температуре до 204°С.
Неопрен. Атмосферостойкие неопреновые уплотнения еще называют хлоропреновым каучуком.
Неопреновые уплотнения имеют хорошие механические свойства, а показатели усадки при постоянном сжатии достаточно низкие. Неопрен является самогасящимся материалом с прекрасными атмосферостойкими свойствами, поэтому на него не оказывают влияние солнечное излучение и озон. Неопреновые уплотнения устойчивы к маслам, жирам, углеводородам и спиртам, хотя некоторые из них могут привести к небольшим разбуханиям материала.
Температурный диапазон: -40 ° С до + 100 ° С.
Уплотнительные материалы
Этилен-пропилен (EPDM). Данный вид эластомера растворяется во многих углеводородах, а также их хлорпроизводных. Материал получают сополимеризацией этилена с пропиленом (и диеном) на катализаторе Циглера-Натта в растворе или избытке полипропилена. Этилен-пропилен не пластифицируется. Вулканизируется органическими пероксидами (СКЭП), серой, фенол-формальдегидными смолами (СКЭПТ). Этилен-пропиленовые каучуки имеют хорошую атмосферостойкость, высокую термо-, масло- и износостойкость, а также высокую воздухопроницаемость. Поэтому нельзя использовать с жидкостями на основе минеральных масел или ди-эфиров Предел прочности при растяжении 20-28 МПа. Рабочая температура от −24 °C до +140 °C.
Фторэластомеры (FKM). Фторэластомерами называют фторсодержащие полимеры, отличающиеся исключительной стойкостью к высоким температурам, климатическим факторам и воздействию различных химических веществ, а также обладающие превосходными герметизирующими и механическими свойствами. Эти материалы успешно используются в агрессивных и высокотемпературных средах. Основными ограничителями для использования фторэластомеров являются их стоимость и несколько иная технология компаундирования (проводят или на двухвалковой каучуковой мельнице, или на смесителе с внутренним смешением) и полимеризации, которая требует более длительной последующей полимеризации. Рабочая температура от −45 °C до +260 °C.
Перфторэластомер (FFKM). Это полностью фторированные эластомеры, которые имеют высокое сопротивление, диэлектрические свойства и устойчивость к высоким температурам. Этот уплотнитель устойчив к хладогенным газам, кислотам, щелочам, воздуху и кислороду. Он может быть использован при рабочих температурах до +275°С. К сожалению, этот материал очень дорогой, его стоимость в 80 раз больше, чем уплотнительное кольцо, изготовленное из материала FKM. Температурный диапазон: -30 °С до + 200°С.
ПТФЕ. Политетрафторэтиле́н, тефло́н или фторопла́ст-4 – пластмасса, которая обладает редкими физическими и химическими свойствами. Слово «Тефлон» является зарегистрированной торговой маркой корпорации DuPont. Чаще всего применяется название – фторопласт.
Тефлон — белое, в тонком слое прозрачное вещество, по виду напоминающее парафин или полиэтилен. Плотность от 2,18 до 2,21 г/см3. Обладает высокой тепло- и морозостойкостью, остаётся гибким и эластичным при температурах от -70 до +270 °C, прекрасный изоляционный материал. Тефлон обладает очень низкими поверхностным натяжением и адгезией и не смачивается ни водой, ни жирами, ни большинством органических растворителей.
Уплотнитель имеет высокую стойкость к большинству химических веществ, включая кислоты, щелочи, масла и пары. Высокая износостойкость. Температурный диапазон: -269 °С до + 196° С.
PTFE был открыт в 1938 году, а сейчас даже представить многие механизмы без него почти невозможно. Этот пластик, получаемый химическим путем, применяется и в автомобильной, и в химической, и в пищевой промышленности, и в гидравлике, и даже в медицине.
Рисунок №2. Витон, неопрен, нитрил, ПТФЭ.
Металлические уплотнители
Металлические прокладки применяются при высоких значениях давления и температуры среды. Выбор материала зависит от условий совместимости и основных параметров среды. Прокладки из металла обеспечивают требуемую герметичность при высоких давлениях и при высоких температурах среды за счет того, что под действием нагрузок каждая сторона прокладки проминается и приобретает форму ответной части герметизируемого узла. Недостатком таких прокладок является то, что для обеспечения герметичности соединения требуется приложение больших усилий при затяге крепежа, а также их относительно низкие упругие свойства, вызывающие значительное снижение напряжений в материале при длительной постоянной деформации, и более высокая по сравнению с другими материалами стоимость изготовления.
Для нефтепродуктов, масел, нефти, насыщенного и перегретого пара используют углеродистую сталь. В среде дистиллированной воды, конденсата, пара, воздуха, керосина, масел используются коррозионно-стойкие стали. Для воздуха, конденсата и пара часто используется латунь. В среде морской воды - бронза, никель.
В агрессивных средах используются нижеприведенные материалы.
Алюминий. Алюминий применяют в арматуре для нефтепродуктов, азотной и фосфорной кислот. Температурный диапазон: -253 °С до + 150° С. При повышении температур прочность материала резко снижается.
Никель. Материал, как и его сплавы, хорошо противостоят действию коррозионных сред, а в частности морской воды. Никелевый прокладки используются в арматуре под действием водяного пара, хлора, разбавленного аммиака. Пластичность никеля сохраняется в широком диапазоне температур: -271°С до + 650°С.
Свинец. Благодаря защитной пленке, которая образуется на поверхности свинца, он стоек к воздействиям агрессивных сред. Свинцовые прокладки используют в среде серной кислоты и ее солей. Температурный диапазон: -200° С до + 100° С.
Медь. Применяют в качестве материала для прокладок, используемых в криогенных и нейтральных средах. Температурный диапазон: -253° С до + 250° С.
Сталь. Прокладки из низкоуглеродистой стали успешно эксплуатируются в среде водяного пара, безводных щелочей и кислот, о не применяют в среде водных растворов кислот и щелочей. Коррозионно-стойкую сталь применяют для прокладок, эксплуатируемых в среде нефтепродуктов, коррозионных сред.
Бронза и латунь. Обладают хорошими антифрикционными свойствами (обеспечивается низкий уровень трения между материалами), малой склонностью к образованию задиров, хорошо шлифуются. Высокий температурный диапазон.
Уплотнительные материалы
Рисунок №3. Алюминий, латунь, медь, никель.
Нормативная база, применяемая при производстве уплотнений
- ГОСТ 18829-73. Кольца резиновые уплотнительные круглого сечения для гидравлических и пневматических устройств.
- ГОСТ 481-80. Паронит и прокладки из него. Технические условия
- ГОСТ 5152-84. Набивки сальниковые. Технические условия.
- ГОСТ Р 53561-2009. Арматура трубопроводная. Прокладки овального, восьмиугольного сечения, линзовые стальные для фланцев арматуры. Конструкция, размеры и общие технические требования.
- ГОСТ ISO 16010-2013. Уплотнения эластомерные. Требования к материалам уплотнений, применяемых в трубопроводах и арматуре для газообразного топлива и углеводородных жидкостей.
- СТ ЦКБА 034-2006. Арматура трубопроводная. Уплотнения сальниковые. Нормы герметичности.
- СТ ЦКБА 037-2006. Арматура трубопроводная. Узлы сальниковые. Конструкция и основные размеры. Технические требования.
- ТУ 2573-002-12058737-2005. Набивки сальниковые плетеные.
- ТУ 5728-006-12058737-2005. Прокладки уплотнительные из терморасширенного графита.
Рисунок №3. Температурные режимы уплотнительных материалов.
