Материалы уплотнений трубопроводной арматуры
(812) 611-08-45
th@armatek.ru

Материалы уплотнений трубопроводной арматуры

Уплотнительные материалы

Герметичные уплотнения широко применяют во многих направлениях техники и технологий. От их работоспособности в значительной степени зависят функциональные возможности разных видов оборудования. Сама же работоспособность уплотнительных элементов в значительной степени определяется свойствами материалов, из которых они изготовлены. Поэтому к выбору этих материалов производители подходят очень ответственно.

В соответствии с «ГОСТ 24856-2014. Арматура трубопроводная. Термины и определения» уплотнение в трубопроводной арматуре ─ это совокупность сопрягаемых элементов, обеспечивающих необходимую герметичность подвижных или неподвижных соединений деталей и узлов. А уплотнительная поверхность ─ это поверхность сопрягаемого элемента, контактирующая с уплотнительным материалом или непосредственно с поверхностью другого сопрягаемого элемента при взаимодействии в процессе герметизации.

Уплотнения арматуры выполняют важнейшую функцию, значение которой переоценить невозможно, ведь герметичность определяет надежность трубопроводной арматуры, а потому является ее наиважнейшим качеством. Герметичность обеспечивают различные уплотнения: уплотнение затвора арматуры, сильфонное уплотнение, сальниковые уплотнения арматуры, уплотнения между отдельными фрагментами ─ крышкой и корпусом, например. Есть еще уплотнения соединительных патрубков, где используют материалы для уплотнения резьбовых соединений и материалы для уплотнения фланцевых соединений. Как свидетельствует статистика, более половины случаев выхода трубопроводной арматуры из строя происходит по причине износа уплотнительных поверхностей, приводящего к снижению герметизирующей способности уплотнительных соединений.

Износ уплотнительных поверхностей

Износ уплотнительных поверхностей ─ явление многогранное, включающее не только наиболее очевидный механический износ, возникающий из-за трения контактирующих поверхностей при открытии и закрытии затвора арматуры, но также коррозионный и эрозионный износ. Коррозионный износ обусловлен воздействием рабочей среды, а его масштабы ─ ее агрессивностью, т. е. химической активностью, проявляющейся в готовности вступать в химические реакции с материалом уплотнения. Эрозионный износ уплотнительных поверхностей ─ следствие газодинамического или гидродинамического воздействия на них рабочей среды. Особенно высокой эрозионной стойкостью должны обладать материалы уплотнений трубопроводной арматуры, работающей при высоком давлении.

Наиболее интенсивному износу подвержены подвижные элементы уплотнений. Так, в очень сложных условиях функционируют уплотнительные кольца в самом распространенном типе трубопроводной арматуры ─ задвижках, при каждом открывании-закрывании запорного органа которых имеет место интенсивное трение уплотнительных поверхностей затвора.

Степень износа уплотнительных поверхностей зависит от того, насколько внутренняя структура материала уплотнения способна противостоять действию внешних нагрузок с учетом таких их особенностей, как характер распределения, вид, интенсивность.

Материалы ─ уплотнительные, прокладочные, герметизирующие

Классифицируя материалы, используемые для изготовления трубопроводной арматуры, те из них, которые служат для обеспечения герметичности, часто разделяют на несколько групп ─ уплотнительные, прокладочные, герметизирующие.

Уплотнительные материалы применяют для создания уплотнительных поверхностей затворов трубопроводной арматуры. Прокладочныедля изготовления уплотнительных прокладок. Герметизирующие─ для герметизации узлов прохода через крышку корпуса шпинделя или штока. Такое разделение, несмотря на то, что всеми перечисленными категориями материалов решается общая задача ─ обеспечить заданную герметичность арматуры ─ объяснимо, поскольку в наборе требований, которым они должны соответствовать, существуют определенные различия. Так, наряду с необходимой всем им упругостью, материалы уплотнения затворов обязательно должны обладать антифрикционными свойствами, совсем необязательными для прокладочных материалов.

Материалы для уплотнений в затворах трубопроводной арматуры «металл по металлу»

Уплотнения затворов «металл по металлу» позволяют обеспечивать эффективную работу трубопроводной арматуры в условиях высокой температуры и давления при управлении сложными ─ агрессивными, пожароопасными, токсичными и проч. ─ рабочими средами.

Одно из распространенных технических решений ─ когда уплотнительные поверхности запирающего элемента и корпуса получают путем шлифовки и доводки металлов, из которых они выполнены. Т. е. нет наплавленных или вставных колец. В этом случае материалом уплотнительной поверхности служат медные сплавы в латунной и бронзовой арматуре, углеродистая или легированная сталь ─ в стальной, чугун ─ в чугунной. Если таким образом обеспечить требуемое качество уплотнительной поверхности не получается, применяют специальные уплотнительные материалы.

Для стальной и чугунной арматуры это ─ устанавливаемые на седлах уплотнительные кольца из бронзы, латуни, монель-металла, различных специальных сталей ─ высокоуглеродистых, хромистых, молибденовых, нитрованных (азотированных).

Кольца из другого металла можно присоединять с помощью сварки, биметаллическим литьем, пайкой. Используют и другие технологические операции, например, механическую фиксацию колец в цилиндрических расточках полостей корпуса посредством запрессовки, крепление на резьбе или с помощью гайки. Важно, чтобы у материалов корпуса трубопроводной арматуры и уплотнительных поверхностей были как можно более близкие по значению коэффициенты линейного теплового расширения.

Часто материалом таких колец являются бронза и латунь. Бронза ─ медный сплав, в котором ни цинк, ни никель не являются основными легирующими элементами. Если не вдаваться в подробности, то сплав меди и цинка ─ это латунь, а сплав меди и никеля ─ монель-металл.

В оловянных бронзах основной легирующий элемент ─олово. Но это не отменяет присутствия других элементов, прежде всего, свинца и цинка. В безоловянных бронзах олова нет или совсем мало. А вот видов безоловянных бронз много: получающая все большее распространение алюминиевая, бериллиевая, кремнистая, марганцевая, калиевая, магниевая, серебряная, хромовая, теллуровая.

Бронзы обладают хорошими антифрикционными свойствами; они отличаются коррозионной устойчивостью, и, будучи пластичными, технологичностью ─ хорошо поддаются таким широко применяемым в металлообработке процессам, как обработка металлов резанием и давлением. Еще одно достоинство бронз ─ способность образовывать сварные соединения.

Латунь ─ медный сплав, в котором главным легирующим элементом является цинк. Чем цинка больше, тем латунь прочнее и пластичнее. Добавление других легирующих элементов позволяет увеличить ее коррозионную стойкость. Латунь обладает хорошими трибологическими характеристиками, что для материалов уплотнений затворов трубопроводной арматуры особенно важно, поскольку для них вопросы трения и изнашивания имеют первостепенное значение. Как и бронза, латунь ─ высокотехнологичный, «легкий» в механической обработке материал.

Медно-никелевый сплав монель (монель-металл) существенно моложе бронзы и латуни ─ он был получен только в начале XX столетия. Его отличают хорошие механические свойства при температуре до более чем 500 OC и коррозионная стойкость в большинстве сред.

Для получения более твердой и износостойкой уплотнительной поверхности применяют наплавку уплотнительных поверхностей трубопроводной арматуры.

Дуговую наплавку можно выполнять электродами ЦН-6Л и ЦН-12. В химическом составе наплавляемого ими металла преобладает железо, но при этом достаточно много хрома (15─16%) и никеля (6─9%).Такая наплавка предполагает предварительный и сопутствующий подогрев металла, а сразу же по ее окончании выполняется термическая обработка. Покрытие уплотнительных поверхностей чугунной арматуры хромоникелевой сталью позволяет повысить ее эксплуатационную стойкость как минимум вчетверо.

Электроды ЦН-2 используют для наплавки стеллита ─ сплава кобальта и хрома, содержащего примерно 4-5% вольфрама. Твердость наплавленного металла чрезвычайно высока ─ HRC 41,5-51,5(при использовании электродов ЦН-6Л она почти на треть меньше).Стеллит марки ВЗК наплавляется под слоем флюса в среде защитных газов.

Стеллит ─ уникальный материал. Наряду с высокой твердостью он обладает повышенной износостойкостью, вязкостью, коррозионной стойкостью и низким коэффициентом трения.

В формируемой посредством плазменной наплавки уплотнительной поверхности из сплавов ПГ-СР2 и ПГ-СРЗ основным компонентом является никель.

Азотирование ─ насыщение азотом ─ делает поверхностный слой легированной стали (добавки ─ алюминий, хром, молибден) более твердым и стойким к воздействию коррозии. Азотированная сталь не боится непосредственного контакта с бензином, минеральными маслами, слабыми щелочными растворами, перегретым водяным паром, продуктами, выделяемыми при горении газов. Азотирование существенно повышает эрозионную устойчивость стали в потоках водяного пара и горячей воды. Значительно возрастает ее теплостойкость, при этом твердость сохраняется после воздействия высоких температур. Азотированная сталь более износостойкая, чем цементированная или закаленная.

Сормайт ─ твердый (около 50 HRC) сплав на основе железа, содержащий помимо углерода также кремний, марганец, никель, хром.

Наплавку сормайта выполняют как электродуговым способом, так и газовой сваркой пламенем с избытком ацетилена.

Материалы для мягких уплотнений затвора

Сегодня, благодаря развитию химических технологий, в качестве материалов для уплотнения широко используют мягкие неметаллические материалы. Хотя нельзя не отметить, что мягкое уплотнение затвора трубопроводной арматуры появилось намного раньше обычно ассоциируемых с ним полимеров. Уже в древности для этого применяли обыкновенную сыромятную кожу. И сегодня она продолжает служить в качестве материала уплотнительной поверхности затвора, но конкурировать на равных с продуктами современных химических технологий ей очень сложно.

Использование неметаллических уплотнительных материалов с низким модулем упругости позволяет обеспечить требуемую герметичность без значительных усилий уплотнения, сопровождающихся дополнительным нагружением узлов трубопроводной арматуры.

Теоретический задел для получения полимерных материалов был создан фундаментальной наукой еще в XIX столетии. Но начало продолжающегося до сих пор технологического прорыва приходится на 30-е годы XX столетия. Именно к этому времени относится появление ПВХ (поливинилхлорида) или широко применяемого для изготовления уплотнений трубопроводной арматуры фторопласта. Последний был получен в 1938 году. Его другое название ─ тефлон,  является торговой маркой, зарегистрированной компанией DuPont.

Сегодня фторопласт (он же ─ тефлон, политетрафторэтилен, материал уплотнения PTFE (Polytetrafluoroethylene)) получил чрезвычайно широкое распространение при устройстве уплотнительных поверхностей затворов трубопроводной арматуры. Фторопласт обладает высокой химической стойкостью и почти безразличен к воздействию кислот, щелочей и растворителей. Он сохраняет свои физико-механические параметры в широком диапазоне температур, имеет низкий коэффициент трения. И при этом ─ экологически безвреден. Есть, правда, одно «но» ─ текучесть даже при сравнительно небольших нагрузках. Для улучшения физико-механических показателей его армируют стекловолокном или т. н. «углеволокном».

Перспективным материалом для изготовления уплотнений является термопласт PEEK (Poly-etheretherketone или Полиэфирэфиркетон), обладающий высокой износостойкостью и сохраняющий механические свойства при температуре до 300OC. Важное качество PEEK ─ устойчивость к воздействию водяного пара. Его использование позволяет получить износоустойчивое и термостойкое уплотнение.

Широкое распространение получили эластомеры ─ материалы, которые при приложении небольших усилий способны значительно деформироваться, а после снятия нагрузки немедленно возвращаться в исходное положение.

В качестве материала для уплотнений затворов трубопроводной арматуры используются различные резины. Высокой прочностью и хорошей сопротивляемостью к истиранию обладают резины на основе СКН (бутадиен-нитрильного каучука).

Достаточно широко для изготовления седловых уплотнений применяется EPDM ─материал уплотнения, относящийся к синтетическим эластомерам. Этилен-пропиленовый каучук или этилен-пропилен-диен-каучук (аббревиатура EPDM означает Ethylene Propylene Diene Monomer rubber) отличается хорошими механическими свойствами и может работать в широком ─ от минус 500OC до плюс 150OC ─ температурном диапазоне. Материал устойчив к высокотемпературным и агрессивным рабочим средам ─ горячей воде, пару, щелочам. Русская аббревиатура ─ СКЭП (двойной) или СКЭПТ (тройной) этилен-пропиленовый каучук.

NBR─ материал уплотнения, также являющийся эластомером, только на другой ─ акрил-нитрил-бутадиен-каучуковой ─ основе. Обладает высокой твердостью и достаточно высокой износостойкостью. В уплотнениях затворов трубопроводной арматуры также используется H-NBR ─гидрированный акрил-нитрил-бутадиен-каучук.

Сополимеризацией фторсодержащих мономеров получают т. н. фторкаучуки (или фторорганические каучуки, фторэластомеры). Присутствие фтора делает их термостойкими и устойчивыми к воздействию многих агрессивных сред. В России применительно к этим материалам используется аббревиатура СКФ. Материал уплотнения FKM (Fluorinated propylene monomer) и FPM (Fluorocarbon) ─ это разные у различных занимающихся стандартизацией организаций, названия одного и того же продукта. Материал уплотнения Viton─ торговая марка. FKM (FPM) ─ материал уплотнения, имеющий набор важных качеств: высокую теплостойкость, хорошую износостойкость и стойкость к абразивному истиранию, химическую инертность.

Сегодня ведется интенсивная работа по повышению функциональных возможностей уплотнений трубопроводной арматуры. Без этого добиться обеспечения ее высоких эксплуатационных качеств не получится. Важным направлением этой работы является создание конструкций комбинированных уплотнений. Например, резинометаллических или резинофторопластовых. Чрезвычайно высокими параметрами отличаются многослойные металлографитовые уплотнения.

Важный акцент ставится на разработку новых материалов. Ведь то, насколько успешно уплотнения справятся со стоящими перед ними задачами, и сколь долго они будут сохранять требуемую работоспособность, во многом зависит не только от конструктивного оформления и качества изготовления уплотнений, но и от используемых для их устройства материалов.

 

ОТЗЫВЫ КЛИЕНТОВ

Компания «Взлет» приобрела  фланцевые шаровые краны с рукояткой производства АРМАТЭК.

Трубопроводная арматура