Сальник (сальниковое уплотнение) в трубопроводной арматуре
Сальниковое уплотнение (или коротко ─ сальник) служит для герметизации зазоров, наличие которых между движущимися или движущимися и неподвижными частями любого технического устройства неизбежно. Добиться герметичности подвижного соединения помогает применение специальных, постоянно находящихся под механическим напряжением, легко деформируемых, но при этом обладающих упругостью уплотнительных элементов, носящих название «сальниковая набивка».
Сальниковое уплотнение в технике вообще и в трубопроводной арматуре, в частности
Благодаря невысокой стоимости, возможности выбора материалов, конструктивной простоте и ремонтопригодности сальниковые уплотнения получили широкое распространение в самых разных технологиях. Достаточно большим разнообразием отличаются конструкции и размеры сальников, применяемых во многих видах оборудования. Такие термины как «задний сальник», «передний сальник», «сальник привода», «сальник вала» наверняка слышали люди, от техники очень далекие. Ну а то, что замена сальника ─ одна из самых распространенных операций при техническом обслуживании широкого круга различных технических устройств, известно всем, начиная от дачников, использующих небольшие садовые насосы, до владельцев дорогих автомобилей.
Сальники используют в технике достаточно давно и уже много десятилетий назад им были даны определения в общих и специализированных словарях. «Смазывающееся приспособление у поршня, препятствующее выходу пара, воздуха, газа и т. п. из цилиндра», «уплотняющее устройство для штоков, стержней и трубок в месте прохода их через отверстие в стенке (крышке), разделяющей два пространства с неодинаковым давлением», «деталь, герметически закрывающая зазор между подвижной и неподвижной частями машины» ─ это все о сальниках.
В технических устройствах, чье функционирование связано с управлением способными «просочиться» сквозь мельчайшие нарушения плотности жидкостями и газами (а именно они в большинстве случаев являются рабочими средами в трубопроводной арматуре), сальниковое уплотнение ─ сальниковое уплотнение насоса или сальниковые уплотнения арматуры, например, ─ чрезвычайно востребованы. В соответствии с «ГОСТ 24856-2014. Арматура трубопроводная. Термины и определения» сальниковой называется арматура, у которой «герметизация штока, шпинделя или другого подвижного элемента относительно окружающей среды обеспечивается сальниковым уплотнением».
Сальниковые уплотнения арматуры с той или иной степенью эффективности препятствуют проникновению внутрь корпуса внешней среды и, напротив, ─ эмиссии рабочей среды во внешнюю. Сальниковая набивка для арматуры, обладающая способностью сжиматься и расширяться в радиальном направлении, надежно герметизирует зазор между штоком (шпинделем) и стенкой корпуса.
В этом нормативном документе в отдельную категорию выделена бессальниковая арматура, например, сильфонная или мембранная, у которой герметизация штока или шпинделя обеспечивается другими способами ─ с помощью сильфона или мембраны, соответственно. Но часто, даже когда использовано сильфонное уплотнение, приходится прибегать к помощи сальника ─ т. н. дублирующий сальник обеспечивает герметичность в случае выхода сильфона из строя.
Сальниковая трубопроводная арматура представлена всеми типами трубопроводной арматуры. Для каких-то из них, например, задвижек использование «конкурирующего» с сальниковым сильфонного уплотнения затруднительно или даже невозможно из-за неспособности последнего обеспечить достаточный ход штока. Поэтому используется сальниковое уплотнение, для которого величина этого хода не имеет принципиального значения.
Широко распространены сальниковые клапаны. В регулирующих клапанах, шпиндель которых находится в постоянном движении, устанавливают сальники со смазкой. А трубопроводные краны в зависимости от способа прижатия пробки разделяют на две большие группы ─ сальниковые и натяжные.
Глубокие сальниковые камеры с комбинированными набивками применяются в дисковых затворах, в т. ч., работающих в сложных условиях.
Сальниковые уплотнения также применяют при присоединении арматуры к трубопроводам, например, во втулочных соединениях.
Материалы для сальниковых уплотнений
Материалы, из которых изготавливают сальниковые набивки, благодаря своей способности заполнять пустоты, каковыми являются любые зазоры, обеспечивают герметичность подвижного соединения. Изначально в этом качестве применяли пропитанные жиром растительные волокна: хлопчатобумажные, льняные, пеньковые. Жиром ─ потому, что он обладает водоотталкивающими свойствами и способствует уменьшению трения. Поэтому сходство звучания и написания слов «сальник» и «сало» (жир) ─ не случайно. Но работать при очень высоких температурах такая набивка не может, поэтому пришлось прибегнуть к помощи более стойких к воздействию температуры и давления сальниковых набивок из асбеста, талька, графита.
Сегодня широко используются синтетические материалы, например, стекловолокно и фторопласт, уверенно противостоящие агрессивным средам и хорошо переносящим скачки температуры. Не боится высоких температур и графит, обладающий кроме того свойствами смазочного материала. Его часто применяют в паровой арматуре. Для сальниковых набивок, не содержащих графит или фторопласт, могут использоваться смазочные устройства.
От правильного выбора материала набивки сальника во многом зависит работоспособность и надежность трубопроводной арматуры. Этот выбор определяется главным образом свойствами рабочей среды ─ ее химической активностью и температурой. Сальниковое уплотнение должно обладать достаточной износостойкостью, поскольку частые перемещения шпинделя или штока приводят к его износу.
Набивка может быть не только «мягкой» ─ из растительных, минеральных или синтетических материалов, но и жесткой металлической, ─ состоящей из одного или нескольких металлических колец. Металлические набивки сальников применялись еще в паровозах. Наряду с оптимальным выбором материала для набивки сальника большое значение имеет правильное определение размера сальниковой полости (коробки).
Конструкция и расчет сальниковых уплотнений
На размеры набивки ─ высоту и толщину ─ влияет комплекс факторов: давление и температура рабочей среды, степень ответственности арматуры. Высота набивки обычно от 4 до 10 раз больше величины зазора. Чем ниже давление, тем высота меньше. Чем сложнее условия эксплуатации, тем набивка выше.
На прочность рассчитывают два элемента сальниковых уплотнений ─ крепеж (болты или шпильки) и крышку. Стальная крышка способна выдержать нагрузку примерно вдвое большую, чем выполненная из серого чугуна, но у нее есть недостаток ─ большая по сравнению с чугуном деформируемость в результате механических нагрузок. Шпильки (болты) сальниковых уплотнений ─ ответственные детали, поскольку в процессе работы их приходится постоянно подтягивать, «провоцируя» механические напряжения.
Крышка фланца сальникового уплотнения может быть цельной, затягиваемой болтами или шпильками, или составной, состоящей из нажимного фланца и нажимной втулки.
Сальниковой или нажимной втулкой называют деталь, посредством которой набивке сальникового уплотнения передается требуемое для создания заданной степени герметичности регулируемое усилие от фланца или гайки. При ее нажатии набивка уплотняется. «Раздаваясь» в стороны и прижимаясь к стенкам крышки, она плотно обволакивает шток или шпиндель, создавая надежное уплотнение. В затворах малых проходов вместо нажимного фланца может использоваться нажимная гайка. Крышку сальника также выполняют в виде накидной гайки или резьбового кольца.
Сальниковые уплотнения, а, точнее, возникающую при контакте движущегося штока (шпинделя) и сальниковой набивки и действующую на шток (шпиндель) силу трения учитывают при расчете приводов трубопроводной арматуры. Возрастание давления и температуры рабочей среды способствует увеличению силы трения в сальниковом узле. Поэтому в отдельных конструкциях устройств трубопроводной арматуры сальник умышленно как можно дальше относят от зоны высоких температур или хотя бы отделяют от крышки специальной тепловой защитой в виде ребристой поверхности. Иногда работу сальника затрудняют не высокие, а, напротив, низкие температуры, и тогда приходится предусматривать его подогрев. Это имеет место, например, в криогенной трубопроводной арматуре. В регулирующей трубопроводной арматуре снизить трение помогает не только смазка, но и уменьшенный диаметр штока и повышенная чистота обработки его поверхности.
Обеспечить высокую чистоту обработки поверхностей и идеальную без конусности, овальности и прочих дефектов формы, геометрию штока или шпинделя ─ первоочередная задача производителей трубопроводной арматуры. В противном случае сальниковое уплотнение не справится со своими задачами. Помимо правильности формы и состояния поверхности причиной его неудовлетворительной работы могут быть низкое качество набивки или ее неправильный подбор и, таким образом, несоответствие условиям работы.
Для ответственной трубопроводной арматуры используются двойные сальниковые уплотнения, состоящие из двух разделенных между собой пакетов сальниковых набивок. Один выполняет роль основного, другой ─ резервного уплотнения. Давления, допускаемые на каждое из уплотнений, разные. И если одно из них, оказавшись «слабым звеном», потеряет герметичность, утечка обнаружится между пакетами уплотнений.
Сальниковые уплотнения могут нагружаться пружинами ─ навитыми или тарельчатыми. Пружины воздействуют либо непосредственно на элементы уплотнений, либо через промежуточные втулки. В качестве поджимающего (подпружинивающего) элемента также применяются резиновые кольца. Такая конструкция позволяет автоматически компенсировать неизбежный из-за движения штока (шпинделя) износ уплотнительных элементов и даже в сложных условиях эксплуатации обеспечивать долговременную и надежную работу сальникового уплотнения.
Сервис сальниковых уплотнений
Регулярное и своевременное обслуживание сальниковой трубопроводной арматуры ─ залог ее безаварийной работы. К сальниковым уплотнениям нужно подходить с особой осторожностью, поскольку они могут служить источником протечек. Своевременное подтягивание сальников позволяет компенсировать их износ, предупредить возникновение неплотностей. Этих же целей помогает добиться добавление сальниковой набивки, поскольку она в процессе работы не только частично теряет свои физико-механические свойства, но и выдувается или размывается. При необходимости выполняют замену сальников.
Сальниковая арматура требует к себе большего внимания, чем сильфонная. Хотя производители стараются обеспечить максимальную простоту ухода за ней. Так, учитывая, что в сальнике периодически необходимо менять набивку, конструкторы предусматривают возможность подъема его крышки на высоту, достаточную для того, чтобы, затрачивая минимальные усилия, убрать старую набивку и заменить ее новой. А если трубопроводная арматура находится в труднодоступных местах ─ обеспечить длительный срок эксплуатации сальника без подтяжки за счет упомянутых выше поджимающих набивку пружин.
Сальниковая трубопроводная арматура дешевле бессальниковой и поэтому, если позволяют условия эксплуатации, именно на ней останавливаются, выбирая арматуру по типу уплотнений. Конечно, когда трубопроводная арматура управляет потоком радиоактивной или токсичной рабочей среды, от сальника приходится отказываться, отдавая предпочтение сильфону. Но на сегодняшний день сальниковое уплотнение остается в трубопроводной арматуре наиболее распространенным.
