К уплотнителям трубопроводной арматуры, применяемой при работе с опасными средами, существуют строгие требования. Агрессивные среды негативно влияют как на арматуру, так и на окружающую среду, потому уплотнители арматуры должны обеспечивать защиту от протечек и порчи арматуры. В новой статье цикла «Арматурный ликбез» будут рассмотрены основные виды уплотнителей подвижных частей арматуры, а также рекомендуемые материалы для их изготовления.
Какие возможные опасности стоит учитывать при выборе материалов для уплотнителей
Одной из самых частых причин выхода арматуры из строя считается повреждение уплотнителей. Их условия эксплуатации считаются экстремальными из-за частого контакта с агрессивными герметизируемыми средами.
Рабочие среды оказывают физико-химическое воздействие на материалы уплотнений и изменяют их структуру. Химические реакции могут протекать в виде окислительного или диффузионного процессов и создавать условия для старения герметизаторов, изменения их химического состава. Изменение химического состава герметизаторов приводит к возникновению местной коррозии. Развитие местной коррозии ведёт к образованию зазоров между уплотняемыми поверхностями арматуры.
Изготовители арматуры обращают на это внимание и зачастую выбирают в качестве материала для уплотнителей различные полимеры: каучук, резину, герметики. Полимеры являются диэлектриками. Они замедляют коррозию путём сдерживания электрохимических реакций, изменяющих кристаллическую решётку металла.
Один из самых востребованных полимеров – политетрафторэтилен (PTFE). Арматуростроители выбирают его из-за стойкости к кислотам и нефтепродуктам, а также широкого диапазона рабочих температур – от -269 до +260°С. Однако, материал имеет и два существенных минуса. PTFE обладает низкими адгезионными свойствами и образует слабую связь с металлами; полимер обладает высокой текучестью и легко изменяется под воздействием сильного давления. Для увеличения прочности полимера его армируют стекловолокном. Армирование изменяет температурный диапазон от -40 до +232°С.
Среди термопластичных соединений востребован полиэфиркетон (PEEK). Это наиболее жёсткий полимер, применяемый в качестве замены алюминия, обладающий высокой износостойкостью и прочностью. Эксплуатируемая температура соединения составляет от -70 до +250°С. Единственный недостаток материала – его высокая стоимость.
Акрил-нитрил-бутадиен каучук (NBR) выбирают из-за его высокой твёрдости, износостойкости и пригодности к работе с нефтепродуктами. Однако полимер обладает относительно низким диапазоном температур – от -30 до +90°С. Для увеличения температурного диапазона в состав эластомера могут добавлять акрилонитрил. Температурный диапазон увеличивается от -20 до +150 °С.
Уплотнитель Nylon выбирают из-за его прочности, стойкости к растяжению, изгибу и сжатию, а также способности нести нагрузку при высоких температурах. Nylon обычно используют в средах с температурным диапазоном от -40 до +80°С. Для увеличения температурного диапазона в полимер добавляют Полиамид 66 (PA66).
Уплотнения типа металл по металлу используют в двух случаях:
- Если температурный диапазон составляет от -250 до +600°С;
- Если рабочая среда содержит механические примеси, которые в сочетании с высоким давлением и скоростью потока среды оказывают разрушительное воздействие на полимерное уплотнение.
Для металлических уплотнений выбирают марки стали с высокой коррозионной стойкостью, упругостью и жаропрочностью. Для повышения стойкости уплотнительных поверхностей к износу применяют наплавки из твердосплавных сплавов на основе никеля и хрома или плазменное напыления карбидов металлов.
Уплотнения шпинделя и штока
Шпиндель и шток – наиболее подвижные части насосов и запорной арматуры, постоянно взаимодействующие с окружающей средой. Уплотнения этих частей арматуры необходимо для предотвращения утечки рабочей среды. В уплотнениях шпинделя и штока чаще всего используют сальниковые, сильфонные и торцевые уплотнения.
Сальниковое уплотнение представляет собой устройство из сальниковой камеры, находящейся на внешней стороне крышки или корпуса. В сальниковую камеру укладывается сальниковая набивка, представляющая собой шнур круглого сечения из эластичного материала. Набивка поджимается вдоль оси шпинделя или штока. Таким образом вокруг устройства образуется герметичная среда.
Сальниковое уплотнение является одним из самых доступных и менее затратных уплотнителей. Набивки чаще всего изготавливаются из терморасширенного графита. Для изменения плотности и температурного диапазона набивки могут оснащаться лавсановой нитью, армированной стеклонитью или суспензией из фторопласта. Такие набивки применительны при рабочих температурах от -200 до +650°С. В рабочих средах с сильными кислотами, щелочами используют сальниковые набивки из тефлона: они имеют малый коэффициент трения, не смачиваются и не набухают, обладают превосходной химической стойкостью.
Сильфонное уплотнение представляет собой гофрированную трубку из коррозионностойких сталей или фторопласта. Сильфонная труба приваривается к корпусу и штоку арматуры, таким образом создавая герметичную среду, не позволяющую выйти рабочей среде наружу. Сильфонное уплотнение, в отличие от сальникового, полностью исключает утечку рабочей среды.
Торцевое уплотнение состоит из двух расположенных напротив друг друга колец, закреплённых во фланце или корпусе оборудования. Одно из колец закреплено в корпусе или во фланце оборудования и является неподвижным. Ответное кольцо находится в осевом направлении на валу. Ответное кольцо вращается вместе с валом. Кольца плотно прижимаются к торцевым поверхностям, тем самым создавая уплотнительный эффект. Контактное давление, образующееся между парой колец, обеспечивает герметичность уплотнения. В торцевом уплотнении чаще всего между кольцами присутствует вторичное уплотнение в виде резинового кольца или сильфона.
Уплотнения запорных органов арматуры
Уплотнителями запорных органов в основном являются упругие сёдла, которые прижимаются к ответным поверхностям за счет давления рабочей среды, с помощью пружин входящих в конструкцию седла, или за счет механического воздействия самого запорного органа.
В устройстве дискового поворотного затвора запирающим элементом является подвижный диск. В закрытом положении диск расположен перпендикулярно рабочей среде. Вокруг диска на корпусе расположено уплотнительное седло из синтетического каучука в форме кольца. Запирающий элемент плотно прижимается к уплотнителю, седло под давлением диска деформируется, тем самым, не позволяя рабочей среде просочиться сквозь щели.
В общем случае, применяется концепция когда один из элементов, либо запорный орган, либо седло, сохраняют некоторую подвижность в закрытом состоянии арматуры, адаптируясь под положение и форму ответной части. Благодаря этому обеспечивается надежный контакт поверхностей в широком диапазоне рабочих температур и давлений. В конструкции шаровых кранов применяются два различных способа реализующих эту концепцию.
У крана шарового с плавающей пробкой, шар не фиксируется в одном положении, а может смещаться под воздействием рабочей среды. Давление рабочей среды создает нагрузку на пробку, прижимая ее по всей поверхности ответных седел, что предотвращает протечки.
Шаровой кран с пробкой в опорах оснащается упруго-деформируемым седлом, которое прижимается к шару под действием пружин, а в закрытом положении шара благодаря перепаду давления рабочей среды. Седло конструируют таким образом, чтобы между ним и корпусом крана было небольшое пустое пространство. Это пространство позволяет седлу сохранять упругую энергию. Такая конструкция позволяет уплотнителю всегда деформироваться точно по форме затвора, несмотря на тепловое расширение или износ.